DINÁMICA. LEYES DE NEWTON. PARTE 1.
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La dinámica estudia las causas y los cambios del movimiento
de los cuerpos, a diferencia de la cinemática que estudia el
movimiento de los cuerpos sin preocuparse de lo que induce a
este movimiento.
El estudio de la dinámica es muy importante para conocer el
mundo que nos rodea, y sus aplicaciones van desde
determinar la fuerza necesaria para mover un automóvil hasta
predecir el movimiento de los planetas y galaxias (de hecho,
Newton ideó las leyes porque estaba estudiando los
principios que regían los movimientos de los planetas).
Muchos de los primeros científicos se ocuparon del estudio
del movimiento. Fue el científico inglés Isaac Newton (1642-
1727) quien resumió las diversas relaciones y principios de
esos primeros estudiosos en tres afirmaciones o leyes que se
conocen como leyes del movimiento de Newton.
El descubrimiento de las leyes
¿Qué habría ocurrido si Newton hubiera vivido en la costa?
Una fuerza es algo que puede cambiar el estado de movimiento de
un cuerpo (su velocidad).
Para producir un cambio en el estado de movimiento de un cuerpo,
debe haber una fuerza neta, no equilibrada, diferente de cero
Inercia es la tendencia de los cuerpos a mantener un estado de
reposo o de movimiento rectilíneo uniforme (velocidad
constante).
La masa es una medida cuantitativa de la inercia.
INERCIA
Experimento de Galileo
Primera ley de Newton (principio de la inercia)
En ausencia de la aplicación de una fuerza no equilibrada
(Fneta = 0), un cuerpo en reposo permanece en reposo, y un
cuerpo en movimiento permanece en movimiento con velocidad
constante (rapidez y dirección constantes).
De acuerdo con la primera ley, concluimos que un cuerpo
aislado está en reposo o en movimiento con velocidad constante.
Fuerzas equilibradas
Objetos en reposo
(v = 0 m/s)
Permanece en reposo
Objetos en movimiento
(v ≠ 0 m/s)
Permanece en
movimiento
con la misma
velocidad
¿En cuál o cuáles de las situaciones siguientes la
fuerza neta sobre el cuerpo es cero?
a) Un avión que vuela al norte con rapidez
constante de 120 m/s y altitud constante
b) Un automóvil que sube en línea recta por una
colina con pendiente de 3º, con una rapidez
constante de 90 km/h
c) Un halcón que se mueve en círculos con rapidez
constante de 20 km/h a una altura constante de
15 m sobre un campo abierto
d) Una caja con superficies lisas, sin fricción, que
está en la parte de atrás de un camión cuando
éste acelera hacia adelante en un camino plano
a 5 m/s2
El significado de Fuerza
•Cada vez que existe una interacción entre dos objetos, hay una
fuerza actuando sobre cada uno de ellos.
•Cuando la interacción cesa, los objetos dejan de experimentar
la fuerza.
•La fuerza existe sólo como el resultado de una interacción.
Por simplicidad, todas las fuerzas (interacciones) entre objetos
pueden ser colocadas en dos categorías:
•fuerzas de contacto, y
•fuerzas resultantes de una interacción a distancia
Fuerza de contacto: Son tipos de fuerzas en las que los cuerpos
que interactúan están físicamente en contacto.
Ejemplos de fuerzas de contacto incluyen la fuerza de fricción,
fuerzas de tensión, fuerza normal, fuerza de resistencia del aire y
fuerzas aplicadas.
Fuerzas de acción a distancia: Son tipos de fuerzas en las que los
cuerpos que interactúan no se encuentran en contacto físico, pero
son capaces de empujarse o atraerse a pesar de su separación
física.
Ejemplos de fuerzas de interacción a distancia incluyen la fuerza
gravitacional, la fuerza eléctrica y la fuerza magnética.
Segunda ley de Newton (principio de la fuerza)
La aceleración de un objeto producida por una fuerza neta es
directamente proporcional a la magnitud de la fuerza neta,
tiene la misma dirección de la fuerza neta, y es inversamente
proporcional a la masa del objeto.
¿Cuál de estos dos objetos alcanzará másrápido la velocidad de 1 metro por segundo?
En términos de una ecuación, la fuerza neta es igual al producto
de la masa del objeto y su aceleración:
amFLa FUERZA NETA y no ninguna fuerza individual, es la que se
relaciona con la aceleración.
La fuerza neta es la suma vectorial de todas las fuerzas.
La cantidad ma no es una
fuerza
La fuerza es una cantidad que es medida usando una unidad
conocida como el newton.
Un newton es la cantidad de fuerza requerida para lograr que una
masa de 1.0 kg adquiera una aceleración de 1.0 m/s2.
Un newton es abreviado por “N”.
211
s
mkgN
La segunda ley de Newton nos da una relación entre el peso y
la masa de un cuerpo:
mgW
¿Cuál de los siguientes cuerpos tiene un peso
aproximado de 1 N?
a) Una mosca
b) Una manzana
c) Una silla
d) Un auto
e) Un avión
El peso es la fuerza de atracción gravitacional que un cuerpo
celeste ejerce sobre un objeto.
La masa de un objeto se refiere a la cantidad de materia contenida
por el objeto.
La masa de un objeto (medida en kg) será la misma sin importar el
lugar en que se encuentra el objeto en el universo. La masa no se
altera por la localización del cuerpo, la atracción de la gravedad,
rapidez o la existencia de otras fuerzas.
Por otro lado, el peso de un objeto (medido en newtons) varía de
acuerdo a la posición del objeto en el universo. El peso depende
del planeta que ejerce la atracción y de la distancia a la que se
encuentra el objeto del planeta. El peso, que es equivalente a la
fuerza de gravedad, depende del valor de la aceleración de la
gravedad.
masa vs. peso
Frecuentemente podemos usar
mal las unidades del SI para masa
y peso en la vida cotidiana.
El peso de un cuerpo es una
fuerza que actúa sobre el cuerpo
TODO el tiempo, esté o no en
caída libre.
Un tractor tira de un remolque cargado sobre un camino plano,
con una fuerza constante de 440 N. Si la masa total del
remolque y su contenido es de 275 kg, ¿qué aceleración tiene el
remolque? (Desprecie todas las fuerzas de fricción)
Dos bloques con masas m1 = 2.5 kg y m2 = 3.5 kg descansan en
una superficie sin fricción y están conectadas por un hilo ligero.
Se aplica una fuerza horizontal F = 12.0 N a m1, como se indica
en la figura. (a) ¿Qué magnitud tiene la aceleración de las
masas? (b) ¿Qué magnitud tiene la fuerza (T) en el hilo?
Un bloque con masa de 0.50 kg viaja con una rapidez de
2.0 m/s en la dirección x sobre una superficie plana sin fricción.
Al pasar por el origen, el bloque experimenta durante 1.5 s una
fuerza constante de 3.0 N que forma un ángulo de 60º con
respecto al eje x. ¿Qué velocidad tiene el bloque al término de
este lapso?
Tercera ley de Newton (principio de acción y reacción)
Las fuerzas ocurren siempre en pares o que no puede existir
una fuerza aislada individual.
La fuerza de acción es
igual en magnitud a la
fuerza de reacción y
opuesta en dirección.
Estas fuerzas siempre
actúan sobre cuerpos
diferentes.
Para cada fuerza (acción), hay una fuerza igual y opuesta
(reacción).
mgN
¿La fuerza normal y el peso
constituyen un par acción-reacción?
La fuerza normal ( N ) es la fuerza
de soporte ejercida sobre un objeto, el
cual está en contacto con otro objeto
estable.
La fuerza normal y el peso NO
constituyen un par acción-
reacción.
yFmgN
yFmgN
cosmgN
Al terminar de dibujar un diagrama de
cuerpo libre, deberemos poder contestar,
para cada fuerza, la pregunta: “¿qué otro
cuerpo la está aplicando?
Un automóvil que viaja a 72.0 km/h por un camino recto y
plano se detiene uniformemente en una distancia de 40.0 m. Si
el coche pesa 8.80 103 N, ¿qué fuerza de frenado se aplicó?
Diagramas del cuerpo libre (DCL)
Los diagramas del cuerpo libre son gráficos utilizados para mostrar
las magnitudes relativas y direcciones de las fuerzas que actúan
sobre un cuerpo en una determinada situación.
La magnitud relativa de la flecha en un DCL refleja la magnitud de
la fuerza.
La dirección de la flecha nos indica la dirección en que está actuando
la fuerza.
Cada fuerza dibujada en el DCL debe ir acompañada de una letra (as)
que indiquen el tipo de fuerza.
Es costumbre cuando se realiza un DCL, dibujar el objeto como una
caja y ubicar en el centro de esta todas las fuerzas que actúan.
DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE
Una fuerza de 10.0 N se aplica
con un ángulo de 30º respecto a la
horizontal, a un bloque de 1.25 kg
que descansa en una superficie sin
fricción, como se ilustra en la
figura. (a) ¿Qué magnitud tiene la
aceleración que se imprime al
bloque? (b) ¿Qué magnitud tiene
la fuerza normal?
Un letrero de 3.0 kg cuelga en un pasillo, como se muestra en
la figura. ¿Qué resistencia mínima a la tensión debe tener el
cordón empleado para colgar el letrero?
Una persona (peso total = 600 N) se encuentra dentro de un ascensor
que desciende con una aceleración de 2.0 m/s2. Determine el valor de la
lectura de la báscula sobre la que se encuentra.
Una piedra pende del techo mediante un hilo delgado, y una sección del
mismo hilo cuelga de la parte inferior de la piedra. Si una persona le da
un súbito jalón al hilo que cuelga, ¿de dónde es probable que se rompa
el hilo: debajo de la piedra o arriba de ella? ¿Y qué ocurre si la persona
le da un jalón lento y constante?
