Fuerzas, Leyes de Newton y Dinámica de la Partícula

Concepto de fuerza

Las fuerzas son lo que causa cualquier cambio en la velocidad de un objeto.

Existen dos tipos de fuerzas:

• Fuerzas de contacto: Implican contacto físico entre dos objetos.

• Fuerzas de campo: No involucran contacto físico, actúan a través del espacio vacío.

Clases de fuerzas

• Gravitacional: Es la fuerza de atracción que ejerce la Tierra sobre un objeto.

• Peso: Es la magnitud de la fuerza gravitacional.

• Normal: Es la fuerza de reacción que ejerce una superficie sobre un cuerpo que esté sobre ella. Es perpendicular a la superficie, de ahí su nombre.

• Fricción: Es la fuerza que se resiste al movimiento porque el objeto interactúa con su entorno.

• Tensión: Es la fuerza ejercida por un objeto que está siendo tirado por ambos extremos como una cadena, cuerda, cable, etc.

• Elástica: Es la fuerza que permite que los sólidos retornen a su forma y tamaño original después de haber aplicado una fuerza de deformación sobre ellos.

Leyes de Newton. Equilibrio traslacional

Primera ley de Newton

• Si un objeto no interactúa con otros objetos, es posible identificar un marco de referencia en el que el objeto tiene aceleración cero.
• En ausencia de fuerzas externas, y cuando se ve desde un marco de referencia inercial, un objeto en reposo se mantiene en reposo y un objeto en movimiento continúa en movimiento con una velocidad constante (rapidez constante en una línea recta).

Segunda ley de Newton

Cuando se ve desde un marco de referencia inercial, la aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa:

${\vec {a}}\varpropto {\sum {\vec {F}} \over m}\Rightarrow \sum {\vec {F}}=m\,{\vec {a}}$

Tercera ley de Newton

Si dos objetos interactúan, la fuerza ${\vec {F}}_{12}$ que ejerce el objeto 1 sobre el objeto 2 es igual en magnitud y opuesta en sentido a la fuerza ${\vec {F}}_{21}$ que ejerce el objeto 2 sobre el objeto 1:

${\vec {F}}_{12}=-{\vec {F}}_{21}$

Equilibrio traslacional

Si la aceleración de un objeto representado como partícula es cero, el objeto se considera con el modelo de partícula en equilibrio. En este modelo, la fuerza neta sobre el objeto es cero:

$\sum {\vec {F}}=0$

Conceptualización de diagramas de fuerzas (cuerpo libre)

Es la representación pictórica de las fuerzas que actúan sobre un objeto. Permite visualizar solamente aquellas fuerzas sobre el objeto y elimina las otras fuerzas del análisis.

Es la representación pictórica de las fuerzas que actúan sobre un objeto.

Dinámica de la partícula: Movimiento rectilíneo y curvilíneo

Ilustración de un movimiento curvilíneo.

Resultante de fuerzas.

Componente de la velocidad.

La dinámica estudia la relación entre las causas y las propiedades de los movimientos. El movimiento de los cuerpos, en mecánica newtoniana, se explica mediante las leyes de Newton.

Movimiento rectilíneo

Es aquel cuya trayectoria es una línea recta

• Velocidad media e instantánea $\langle {\vec {v}}\rangle ={\Delta {\vec {x}} \over \Delta t}\;;\;{\vec {v}}={d{\vec {x}} \over dt}$
• Aceleración media e instantánea $\langle {\vec {a}}\rangle ={\Delta {\vec {v}} \over \Delta t}\;;\;{\vec {a}}={d{\vec {v}} \over dt}$

Movimiento rectilíneo uniforme

Es un movimiento rectilíneo uniforme (MRU) cuando su velocidad es constante y por tanto su aceleración es cero.

$x=x_{0}+v\,t$

$v=constante$

$a=0$

Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado

Es un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA) cuando su aceleración es constante.

$x=x_{0}+v_{0}\,t+{1 \over 2}\,a\,t^{2}$

$v=v_{0}+a\,t^{2}$

$a=constante$

Movimiento curvilíneo

Se presenta cuando la partícula $A$ viaja a lo largo de una trayectoria curva. Su posición se describe por medio del vector posición $r$, el cual es función del tiempo. La distancia que la partícula viaja se mide por medio de la longitud de arco $s(t)$.

Se considera la partícula en dos tiempos: en $t$ y en $t+\Delta t$, siendo $\Delta t$ un intervalo de tiempo pequeño. La partícula se desplaza $\Delta r$ durante ese intervalo de tiempo, dicho desplazamiento se calcula como la diferencia entre la posición en $t+\Delta t$ y la posición en $t$.

La velocidad media de la partícula en este intervalo temporal tiene la misma dirección y sentido que el vector desplazamiento y es:

$\langle {\vec {v}}\rangle ={\frac {\Delta {\vec {r}}}{\Delta t}}$

La dirección de la velocidad instantánea es siempre tangente a la trayectoria y se describe por la expresión:

${\vec {v}}={\frac {d{\vec {r}}}{dt}}$

De manera análoga se define el vector aceleración. Usando un intervalo de tiempo pequeño y la diferencia de velocidades entre $t+\Delta t$ y $t$ se halla un $\Delta v$ y con el intervalo de tiempo se halla la aceleración media. La aceleración instantánea se tiene cuando dicho intervalo de tiempo es infinitesimal.

$\langle {\vec {a}}\rangle ={\frac {\Delta {\vec {v}}}{\Delta t}}\;;\;{\vec {a}}={\frac {d{\vec {v}}}{dt}}={\frac {d^{2}{\vec {r}}}{dt^{2}}}$

Confirmo lo aprendido

• Evaluación de la lección 2: Fuerzas, leyes de Newton y dinámica de la partícula

Anexos

Enlaces externos

Introducción a las Leyes de Newton

Vídeo ilustrativo sobre la introducción de las Leyes de Newton para ver el concepto de masa, la cual es inherente de los cuerpos y que es la misma en cualquier lugar del universo. Realizado y producido por Escuela de Física-UIS con el apoyo de ExperTIC-SEA.

https://www.youtube.com/watch?v=YLLAiox_Ypc

Primera ley de Newton

Vídeo ilustrativo sobre la primera ley de Newton, los sistemas de referencia inerciales y el momento lineal. Realizado y producido por Escuela de Física-UIS con el apoyo de ExperTIC-SEA.

https://www.youtube.com/watch?v=lHhrhOPnLL4

Segunda Ley de Newton

Vídeo ilustrativo sobre la segunda ley de Newton, la definición de newton como unidad de medida, el concepto de fuerza y sobre los sistemas físicos que aceleran en la dirección de la fuerza resultante. Realizado y producido por Escuela de Física-UIS con el apoyo de ExperTIC-SEA.

https://www.youtube.com/watch?v=qezGA9UO6wU

Tercera Ley de Newton

Vídeo ilustrativo sobre la tercera ley de Newton, mostrando así que las fuerzas existen en pares y que los pares de fuerza se aplican a fuerzas diferentes, además se muestran ejemplos de aplicación sobre dicha ley. Realizado y producido por Escuela de Física-UIS con el apoyo de ExperTIC-SEA.

https://www.youtube.com/watch?v=pHdX_U4cgqA

Ejercicios de aplicación de las leyes de Newton

Vídeo ilustrativo sobre tres ejercicios donde se aplican las leyes de Newton, además de una explicación sobre los diagramas de cuerpo libre, la situación de equilibrio y como escoger un sistema coordenado basándose en la aceleración. Realizado y producido por Escuela de Física-UIS con el apoyo de ExperTIC-SEA.

https://www.youtube.com/watch?v=U9wy8O5WMgE

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Proyecto: Física 1 para ingenieros

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