Leyes de Newton, fuerzas, energía y termodinámica: resumen de conceptos básicos

Isaac Newton y las ramas de la mecánica

Isaac Newton: fue un científico inglés que realizó investigaciones fundamentales en diversos campos de la ciencia, especialmente en la mecánica clásica.

Ramas de la mecánica

Para estudiar el movimiento y el equilibrio es importante distinguir tres áreas en las que se divide la mecánica:

• Dinámica: estudia la relación entre las fuerzas y el movimiento de los cuerpos.
• Cinemática: estudia el movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo producen.
• Estática: estudia el equilibrio de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo.

Conceptos básicos

Inercia

Resistencia de los cuerpos al cambio en su estado de movimiento.

Sistema de referencia

Conjunto de puntos, ejes o un marco desde el cual se describe el movimiento; puede estar en reposo o moverse respecto al observador.

Masa

Magnitud que mide la cantidad de materia de un cuerpo y su resistencia a la aceleración cuando se aplica una fuerza.

Peso

Fuerza de atracción gravitatoria sobre un cuerpo; su valor varía según la aceleración de la gravedad del lugar.

Leyes de Newton

• Primera ley (ley de la inercia): un cuerpo permanece en estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que actúe sobre él una fuerza neta.
• Segunda ley (ley de la fuerza): la aceleración de un cuerpo es proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él y inversamente proporcional a su masa (F = m · a).
• Tercera ley: por cada acción existe una reacción igual y opuesta; las fuerzas entre dos cuerpos son mutuamente opuestas.

Fuerzas y resultantes

Fuerza: toda causa capaz de modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo.

Fuerza neta: es la fuerza resultante de la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo.

Resultante de un sistema de fuerzas: es la fuerza única que produce el mismo efecto que el conjunto de fuerzas aplicadas sobre un cuerpo.

Equilibrio y diagramas de fuerzas

Equilibrio mecánico: condición de los cuerpos donde la suma de las fuerzas que inciden es igual a cero, de modo que no hay aceleración traslacional neta.

Diagrama de cuerpo libre: diagrama vectorial que representa todas las fuerzas que actúan sobre un objeto.

Condiciones del equilibrio

• Primera condición del equilibrio: las sumas vectoriales de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo son iguales a cero (ΣF = 0).
• Segunda condición del equilibrio: el cuerpo se encuentra en equilibrio rotacional si la suma algebraica de todos los momentos (torques) con respecto a cualquier eje es igual a cero (ΣM = 0).

Trabajo, energía y potencia

Trabajo: es el producto de una fuerza aplicada sobre un cuerpo por el desplazamiento en la dirección de la fuerza (W = F · d · cosθ).

Energía: capacidad de un sistema para realizar trabajo.

Tipos de energía

• Energía cinética: energía que posee un cuerpo en virtud de su movimiento.
• Energía potencial: energía que posee un cuerpo debido a su posición en un campo de fuerzas (por ejemplo, gravitatorio o elástico).
• Energía mecánica: suma de la energía cinética y la energía potencial de un sistema; en ausencia de fuerzas disipativas (como la fricción) la energía mecánica se conserva.

Energía potencial elástica y cuerpos

Energía potencial elástica: relacionada con la deformación de un resorte u otro elemento elástico; Robert Hooke determinó que al estirar o comprimir un resorte este reacciona con una fuerza dirigida en sentido contrario.

Cuerpo elástico: es aquel que recupera su tamaño y forma original después de que cesa una fuerza externa.

Cuerpo inelástico: es aquel que no recupera completamente su forma original después de aplicarle una fuerza.

Deformación y esfuerzos

Deformación unitaria: cambio relativo en las dimensiones o en la forma de un cuerpo.

Esfuerzo: relación entre la fuerza aplicada y el área sobre la que actúa (tensión = fuerza/área).

Límite elástico: esfuerzo máximo que puede sufrir un cuerpo sin que la deformación sea permanente.

Ley de Hooke: dentro del límite elástico, la deformación es proporcional a la fuerza aplicada (F = k · x para resortes ideales).

Fricción, impulso y cantidad de movimiento

Fuerza de fricción estática: fuerza de resistencia entre dos cuerpos en reposo relativo que impide el inicio del movimiento.

Fuerza de fricción cinética: fuerza que actúa entre dos cuerpos que se mueven uno respecto al otro y que se opone al movimiento.

Impulso: producto de la fuerza neta por el intervalo de tiempo durante el cual actúa; es igual a la variación de la cantidad de movimiento (J = F · Δt = Δp).

Cantidad de movimiento (momento lineal): vector igual al producto de la masa por la velocidad (p = m · v).

Coeficiente de restitución: razón entre la velocidad relativa después y antes de un choque en la dirección normal al punto de contacto; mide la elasticidad del choque (valor entre 0 y 1 en choques parcialmente elásticos).

Potencia: trabajo realizado por unidad de tiempo (P = W/Δt).

Termodinámica, calor y temperatura

Termodinámica: estudia las relaciones entre el calor y otras formas de energía y las transformaciones entre ellas.

Calor: energía interna transferida entre sistemas debido a una diferencia de temperatura, siempre de mayor a menor temperatura.

Temperatura: medida de la energía cinética promedio de las partículas (átomos o moléculas) de un cuerpo.

Caloría: cantidad de calor necesaria para elevar en 1 grado Celsius (1 °C) la temperatura de 1 gramo de agua (definición tradicional).

Dilatación

Dilatación lineal: cambio en la longitud de un sólido en una sola dimensión debido al incremento de temperatura; suele describirse mediante el coeficiente de dilatación lineal.