Conceptos Clave de la Física: Trabajo, Dinámica y Gravitación Universal
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Conceptos Fundamentales de la Física: Trabajo, Dinámica y Gravitación
Este documento presenta una recopilación de definiciones y principios esenciales en el campo de la física, abarcando desde el concepto de trabajo y energía hasta las leyes que rigen el movimiento y la interacción gravitatoria entre los cuerpos celestes.
Energía y Trabajo
El trabajo es la cantidad de energía que se transfiere de un cuerpo a otro o de una forma a otra. Su unidad en el Sistema Internacional (S.I.) es el julio (J), que se define como el trabajo realizado por una fuerza de 1 N que actúa sobre un cuerpo, desplazándolo 1 m en la misma dirección y sentido de la fuerza.
Una fuerza conservativa es aquella cuyo trabajo realizado sobre un cuerpo que se desplaza depende únicamente de las posiciones inicial y final, siendo independientemente del camino seguido.
El Teorema de las Fuerzas Vivas (o Teorema Trabajo-Energía Cinética) establece que el trabajo total realizado por la fuerza resultante que actúa sobre un punto material es igual a la variación de su energía cinética.
La conservación de la Energía Mecánica (Em) es la suma de la energía cinética (Ec) y la energía potencial (Ep). Cuando todas las fuerzas que actúan sobre el punto material son conservativas, la energía mecánica se mantiene constante. Si existen fuerzas no conservativas, como el rozamiento, la energía mecánica ya no se conserva, y el trabajo de las fuerzas no conservativas (Wfnc) es igual a la variación de la energía mecánica (ΔEm): Wfnc = ΔEm.
Leyes de la Dinámica de Newton
Las Leyes de la Dinámica, formuladas por Isaac Newton, describen el movimiento de los cuerpos y las fuerzas que actúan sobre ellos:
Primera Ley de Newton (Ley de la Inercia)
Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a no ser que actúe sobre él una fuerza externa. Esta ley describe la inercia, que es la oposición que los cuerpos materiales presentan a alterar su estado de movimiento y depende de la cantidad de materia que posea el cuerpo (su masa).
Segunda Ley de Newton (Principio Fundamental de la Dinámica)
Las aceleraciones que un cuerpo experimenta son directamente proporcionales a las fuerzas netas que recibe y tienen la misma dirección y sentido que estas. Su expresión matemática es F = m·a.
Tercera Ley de Newton (Principio de Acción y Reacción)
Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, el segundo ejerce simultáneamente una fuerza sobre el primero de igual módulo y dirección, pero de sentido contrario.
Leyes de Kepler y Gravitación Universal
Las Leyes de Kepler describen el movimiento de los planetas alrededor del Sol:
Primera Ley de Kepler (Ley de las Órbitas)
Los planetas giran en torno al Sol describiendo órbitas elípticas. El Sol no está en el centro de la elipse, sino que ocupa uno de sus focos.
Segunda Ley de Kepler (Ley de las Áreas)
La línea que une el planeta con el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales, es decir, la velocidad areolar de un planeta en su órbita es constante. El movimiento de los planetas no es uniforme; cuanto más cerca del Sol está el planeta en su órbita, más deprisa se mueve.
Tercera Ley de Kepler (Ley Armónica o de los Periodos)
Los planetas giran alrededor del Sol manteniendo una relación armónica: los cuadrados de los periodos de revolución son proporcionales a los cubos de los semiejes mayores de sus respectivas órbitas. Como consecuencia de esta ley, los planetas se mueven más despacio cuanto mayor es su órbita.
La Ley de la Gravitación Universal, formulada por Newton, establece que todos los cuerpos del universo se atraen mutuamente con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Esta fuerza se llama fuerza gravitatoria. Su magnitud se expresa como: F = G·M·m / r², donde G es la constante de gravitación universal.
El Principio de Superposición en gravitación indica que la interacción gravitatoria entre dos cuerpos se manifiesta como un par de fuerzas iguales en módulo y dirección, pero con sentido contrario, cada una de ellas actuando sobre un cuerpo distinto. Cuando interaccionan más de dos masas, la fuerza total que actúa sobre una de ellas se calcula sumando vectorialmente las fuerzas individuales que ejerce cada una de las otras, de acuerdo con este principio. El signo negativo en la forma vectorial de la ley es consecuencia del carácter atractivo de la fuerza de la gravedad.