UNIDAD EDUCATIVA FAE N- 1

DINÁMICA LEYES DE NEWTON

Dinámica Introducción

La dinámica es una rama de la física que más transcendencia ha tenido a lo largo del surgimiento del hombre. La dinámica se encarga del estudio del origen del movimiento como tal, por lo que su estudio recae en el saber cuál es el origen de dicho movimiento; por otra parte la estática es la parte de la Mecánica que estudia el equilibrio de las fuerzas, sobre un cuerpo en reposo.

FuerzaEn 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.

Tipos de fuerzas

Fuerza elástica: es la que logran ejercer los resortes que, fuera de su posición normal, es decir, cuando están comprimidos o estirados y logran ejercer fuerza, ya sea empujando o tironeando un cuerpo.

Fuerza normal: es aquella que ejerce una superficie cuando reacciona ante un cuerpo que se desliza sobre ella.

Fuerza gravitatoria: es aquella fuerza de atracción que surge entre dos cuerpos. Esta fuerza está condicionada por la distancia y masa de ambos cuerpos y disminuye al cuadrado a medida que se incrementa la distancia.

Fuerza electromagnética: es la que repercute sobre aquellos cuerpos que se encuentran eléctricamente cargado. Está presente en las transformaciones químicas y físicas tanto de átomos como de moléculas.

Leyes de Newton

1ª Ley de la inercia:

Un cuerpo permanecerá en un estado de reposo o de movimiento uniforme, a menos de que una fuerza externa actúe sobre él.La primera ley de Newton, conocida también como Ley de inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad cero).Como sabemos, el movimiento es relativo, es decir, depende de cual sea el observador que describa el movimiento.

2ª Ley de la fuerza:

Siempre que una fuerza actúe sobre un cuerpo produce una aceleración en la dirección de la fuerza que es directamente proporcional a la fuerza pero inversamente proporcional a la masa. La nos dice que para que un cuerpo altere su movimiento es necesario que exista algo que provoque dicho cambio. Ese algo es lo que conocemos como fuerzas. Estas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo.

3ª Ley de acción y reacción:

A toda acción corresponde una reacción en igual magnitud y dirección pero de sentido opuesto.Tal como comentamos en al principio de la Segunda ley de Newton las fuerzas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.La tercera ley, también conocida como Principio de acción y reacción nos dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario.Esto es algo que podemos comprobar a diario en numerosas ocasiones. Por ejemplo, cuando queremos dar un salto hacia arriba, empujamos el suelo para impulsarnos. La reacción del suelo es la que nos hace saltar hacia arriba.Cuando estamos en una piscina y empujamos a alguien, nosotros también nos movemos en sentido contrario. Esto se debe a la reacción que la otra persona hace sobre nosotros, aunque no haga el intento de empujarnos a nosotros.

Aplicaciones de las Leyes de Newton

Cuando aplicamos las leyes de Newton a un cuerpo, sólo estamos interesados en aquellas fuerzas externas que actúan sobre el cuerpo.

Cuando una caja está en reposo sobre una mesa, las fuerzas que actúan sobre el aparato son la fuerza normal, n, y la fuerza de gravedad, w, como se ilustran. La reacción a n es la fuerza ejercida por la caja sobre la mesa, n'. La reacción a w es la fuerza ejercida por la caja sobre la Tierra, w'.En otro ejemplo se tiene una caja que se jala hacia la derecha sobre una superficie sin fricción, como se muestra en la figura de la izquierda.

En la figura de la derecha se tiene el diagrama de cuerpo libre que representa a las fuerzas externas que actúan sobre la caja.Cuando un objeto empuja hacia abajo sobre otro objeto con una fuerza F, la fuerza normal N es mayor que la fuerza de la gravedad. Esto es N = mg + F.

En otro ejemplo se tiene un peso w suspendido del techo por una cuerda de masa despreciable. Las fuerzas que actúan sobre el peso son la gravedad, w, y la fuerza ejercida por la cadena, T. Las fuerzas que actúan sobre la cuerda son la fuerza ejercida por el peso, T', y la fuerza ejercida por el techo, T''.

Fuerza centrípeta

Fuerza centrípeta en un movimiento circular.Se llama fuerza centrípeta a la fuerza, o al componente de la fuerza que actúa sobre un objeto en movimiento sobre una trayectoria curvilínea, y que está dirigida hacia el centro de curvatura de la trayectoria.El término «centrípeta» proviene de las palabras latinas centrum, «centro» y petere, «dirigirse hacia», y puede ser obtenida a partir de las leyes de Newton. La fuerza centrípeta siempre actúa en forma perpendicular a la dirección del movimiento del cuerpo sobre el cual se aplica. En el caso de un objeto que se mueve en trayectoria circular con velocidad cambiante, la fuerza neta sobre el cuerpo puede ser descompuesta en un componente perpendicular que cambia la dirección del movimiento y uno tangencial, paralelo a la velocidad, que modifica el módulo de la velocidad.

Fuerza de rozamiento

La fuerza de rozamiento es una fuerza que aparece cuando hay dos cuerpos en contacto y es una fuerza muy importante cuando se estudia el movimiento de los cuerpos. Es la causante, por ejemplo, de que podamos andar(cuesta mucho más andar sobre una superficie con poco rozamiento, hielo, por ejemplo, que por una superficie con rozamiento como, por ejemplo, un suelo rugoso).la fuerza de rozamiento entre dos cuerpos no depende del tamaño de la superficie de contacto entre los dos cuerpos, pero sí depende de cual sea la naturaleza de esa superficie de contacto, es decir, de que materiales la formen y si es más o menos rugosa.

la magnitud de la fuerza de rozamiento entre dos cuerpos en contacto es proporcional a la normal entre los dos cuerpos, es decir:

Fr = u·N

El coeficiente de rozamiento estático es coeficiente de proporcionalidad que relaciona la fuerza necesaria para que un bloque empiece a deslizarse y la fuerza normal.Al ser un cociente de fuerzas carece de unidades:. La fuerza necesaria para que un bloque comience a deslizarse es igual a la Fuerza de rozamiento máxima) Es importante distinguir entre este coeficiente y el coeficiente de rozamiento dinámico ( ud). Siempre se cumple que ue >ud.

Coeficiente de rozamiento estático

La fricción cinética es proporcional a la fuerza normal N, siendo k la constante de proporcionalidad para ilustrar las fuerzas de fricción, suponga que intenta mover un pesado muebles obre el piso. Ud. empuja cada vez con más fuerza hasta que el mueble parece« liberarse" para en seguida moverse con relativa facilidad. Llamemos f a la fuerza de fricción, F a la fuerza que se aplica al mueble, mg a su peso y N a la fuerza normal (que el piso ejerce sobre el mueble)

Coeficiente de rozamiento cinético

Trabajo El Trabajo es una de las formas de transferencia (cuando dos cuerpos intercambian energía, lo hacen,o bien de forma mecánica, mediante la realización de un trabajo, o bien de forma térmica, mediante el calor) de energía entre los cuerpos. Para realizar un trabajo es preciso ejercer una fuerza sobre un cuerpo y que éste se desplace.

El trabajo, W, depende del valor de la fuerza, F, aplicada sobre el cuerpo, del desplazamiento, ∆x y del coseno del ángulo α que forman la fuerza y el desplazamiento. W = F cos α ∆x � �

El trabajo, se mide en julios (J) en el SI, la fuerza en newtons (N) y el desplazamiento en metros (m)

CLASES DE TRABAJO

TRABAJO NETO.- Se habla de trabajo neto cuando sobre un cuerpo actúan varias fuerzas.

TN = (F1+F2+F3 ...)Δr

TRABAJO ACTIVO.- Es el realizado por la resultante de las fuerzas activas. Una partícula es considerada activa cuando su dirección forma un ángulo agudo con la del desplazamiento. Esto determina que aumente la rapidez de la partícula cuando esta aplicada.

TAC = FAC ® Δr

TRABAJO RESISTIVO.- es el trabajo realizado por la resultante de las las fuerzas resistivas. Una fuerza es resistiva cuando su dirección forma un ángulo obtuso con la del desplazamiento esto determina que disminuya la rapidez de la partícula a la cual esta aplicada.

TRS = FRS ® Δr

TRABAJO NULO.- El trabajo es nulo cuando uno de los factores de su ecuación es 0. Hay 3 factores los cuales tienen que ser 0 y determinan si el trabajo es nulo y son: La Fuerza ejercida hacia el Cuerpo, El Desplazamiento del Cuerpo, y el Coseno del Ángulo del Cuerpo.

F = 0Δr = 0

Cos Ángulo = 0

La energía cinética

La energía cinética es la energía que tienen los cuerpos por el hecho de estar en movimiento. Su valor depende de la masa del cuerpo (m) y de su velocidad (v). Ec= ½ m.v 2

La energía cinética se mide en julios (J), la masa en kilogramos (kg) y la velocidad en metros por segundo (m/s). La energía cinética del viento es utilizada para mover el rotor hélice de un aerogenerador y convertir esaenergía en energía eléctrica mediante una serie de procesos. Es el fundamento de la cada vez más empleada energía eólica.La energía cinética es un tipo de energía mecánica. La energía mecánica es aquélla que está ligada a la posición o al movimiento de los cuerpos. Por ejemplo, es la energía que posee un arco que está tensado o un coche en movimiento o un cuerpo por estar a cierta altura sobre el suelo.

Energía potencial

Es la energía que tienen los cuerpos por ocupar unadeterminada posición. Podemos hablar de energía potencial gravitatoria y de energía potencial elástica. La energía potencial gravitatoria es la energía que tiene un cuerpo por estar situado a una cierta altura sobre la superficie terrestre. Su valor depende de la masa del cuerpo (m), de la gravedad (g) y de la altura sobre la superficie (h). EP=m.g.h

La energía potencial se mide en julios (J), la masa en kilogramos (kg), la aceleración de la gravedad en metros por segundo al cuadrado (m/s2) y la altura en metros (m). Por ejemplo, una piedra al borde de un precipicio tiene energía potencial: si cayera, ejercería una fuerza que produciría una deformación en el suelo.

La energía potencial elástica es la energía que tiene un cuerpo que sufre una deformación. Su valordepende de la constante de elasticidad del cuerpo (k) y de lo que se ha deformado (x). EE = ½ K.X2 La energía potencial elástica se mide en julios (J), la constante elástica en newtons/metro (N/m) y el alargamiento en metros (m). Por ejemplo, cuando se estira una goma elástica, almacena energía potencial elástica. En el momento en que se suelta, la goma tiende a recuperar su posición y libera la energía. En esto se basa la forma de actuar de un tirachinas.

La energía potencial elástica

Conservación de la energía

Sistema mecánico en el cual se conserva la energía, para choque perfectamente elástico y ausencia de rozamiento.La ley de la conservación de la energía afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema físico aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra, por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma en energía calorífica en un calefactor.

Fuerzas conservativas y no conservativas

Dentro de las fuerzas que sí realizan trabajo encontramos dos grupos, las fuerzas conservativas y las no conservativas.

Fuerzas Conservativas

Las fuerzas conservativas son aquellas en las que el trabajo a lo largo de un camino cerrado es nulo. El trabajo depende de los puntos inicial y final y no de la trayectoria.

Fuerzas No Conservativas

En contraposición, las fuerzas no conservativas son aquellas en las que el trabajo a lo largo de un camino cerrado es distinto de cero. Estas fuerzas realizan más trabajo cuando el camino es más largo, por lo tanto el trabajo no es independiente del camino.

Potencia

Se denomina potencia al cociente entre el trabajo efectuado y el tiempo empleado para realizarlo. En otras palabras, la potencia es el ritmo al que el trabajo se realiza. Un adulto es más potente que un niño y levanta con rapidez un peso que el niño tardará más tiempo en levantar.

La unidad de potencia se expresa en Watt, que es igual a 1 Joule por segundo,

Eficiencia

En física, la eficiencia o rendimiento de un proceso o de un dispositivo es la relación entre la energía útil y la energía invertida.

La parte de la energia que se pierde se disipa al ambiente en forma de calor

qu que se multiplica por 100 para

expresarla en porcentaje.