Conceptos Fundamentales de Dinámica y Cinemática en Física

Dinámica: La Ciencia del Movimiento

La dinámica es la rama de la mecánica que se ocupa de responder a las preguntas relacionadas con las causas del movimiento. Una de las leyes fundamentales de la naturaleza, directamente relacionada con la interacción gravitatoria, es la Ley de Gravitación Universal. Newton formuló la hipótesis de que la fuerza gravitatoria es la misma que hace caer una manzana de un árbol. La Tierra atrae a la manzana sin necesidad de entrar en contacto con ella. Esta hipótesis fue revolucionaria para su época, ya que el movimiento de los cuerpos celestes se consideraba de naturaleza divina y, por lo tanto, diferente al movimiento en la Tierra.

Fuerza de Rozamiento

La fuerza de rozamiento surge cuando intentamos poner en movimiento, o durante el movimiento, un cuerpo en relación con otro con el cual está en contacto. Siempre se opone al movimiento. Se origina por la interacción electromagnética entre los átomos o moléculas de las superficies en contacto. Se distinguen dos tipos: fuerza de rozamiento estático y fuerza de rozamiento cinético o dinámico.

Fuerza Elástica y Ley de Hooke

Si después de cesar la fuerza que lo deforma, un cuerpo recupera su volumen y forma iniciales, se dice que es elástico. En este caso, la fuerza ejercida por el cuerpo al deformarse se denomina fuerza elástica. La Ley de Hooke se puede demostrar utilizando la fuerza de gravedad para medir la fuerza ejercida por un resorte. Al colgar pesas en su extremo, el resorte se estira hasta que la fuerza producida compensa la fuerza de gravedad.

Cinemática: La Descripción del Movimiento

Movimiento Mecánico

El movimiento mecánico implica el cambio de posición de un cuerpo como un todo, o de sus partes. Cuando una persona camina o corre, se aprecian ambos cambios. El movimiento mecánico, o simplemente movimiento, es el cambio de posición de los cuerpos, o de sus partes, en relación con otro cuerpo.

Cuerpo Rígido, Traslación y Rotación

Un cuerpo rígido es aquel que no se deforma al aplicar fuerzas sobre él. Los movimientos en los que el cuerpo no se deforma pueden ser de dos tipos fundamentales: traslación y rotación. En el movimiento de traslación, todos los puntos del cuerpo se mueven de igual modo. El movimiento de rotación puede ser complejo; un caso simple es la rotación alrededor de un eje fijo, donde todos los puntos del cuerpo describen circunferencias con centro en una línea común.

Partícula y Sistema de Referencia

Una partícula es un cuerpo cuya deformación y rotación pueden despreciarse en las condiciones dadas, es decir, cuando solo se considera su traslación. Los conceptos de traslación y partícula están estrechamente ligados. La cinemática es la rama de la mecánica encargada de la descripción del movimiento. Para describir el movimiento, se necesitan: las posiciones en sucesivos instantes de tiempo, un punto de referencia, un sistema de coordenadas, un instrumento de medición del tiempo y el inicio del intervalo de tiempo. Este conjunto de elementos forma el sistema de referencia. Una vez establecido el sistema de referencia, es posible describir el movimiento de forma numérica (tabla), gráfica o mediante una ecuación (analítica). Además, con frecuencia es conveniente utilizar vectores.

Herramientas para el Estudio del Movimiento

Las tablas, ecuaciones y gráficas son los medios fundamentales de que se vale la ciencia para describir y estudiar, no solo el movimiento, sino en general cualquier cambio. Las tablas proporcionan los datos registrados durante el movimiento, pero interpretar sus características directamente a partir de ellas puede resultar difícil. En cambio, las gráficas permiten percibir de una mirada las características generales de los cambios. Las ecuaciones dan una descripción sintética del movimiento y con frecuencia es fácil realizar operaciones matemáticas con ellas y extraer conclusiones importantes.

Vector Posición y Desplazamiento

El vector posición o radio vector (7) es el vector que va del origen del sistema de coordenadas a la posición de la partícula en cierto instante. Esto sugiere que, por compleja que sea la curva que describe una partícula, siempre es posible considerar su movimiento como una combinación de tres movimientos rectilíneos. El vector desplazamiento, o simplemente desplazamiento, es el cambio de posición de la partícula entre dos instantes de tiempo. El desplazamiento no coincide con la distancia o longitud del camino recorrido.

Velocidad y Celeridad

La velocidad es la rapidez con que se realiza el desplazamiento, es decir, con que cambia la posición: Δt. La velocidad es una magnitud vectorial, pues resulta de dividir un vector (el desplazamiento) entre el intervalo de tiempo en que se realiza, es decir, entre un escalar. La velocidad es una magnitud derivada, ya que se determina a partir de dos magnitudes básicas: longitud (el módulo del desplazamiento es una longitud) y tiempo. En el estudio del movimiento se utilizan otros dos conceptos: velocidad instantánea y celeridad o rapidez. El cociente Δr / Δt se denomina velocidad media. Para calcular la velocidad instantánea, se requiere reducir indefinidamente el intervalo de tiempo Δt en torno a dicho instante. En una gráfica posición-tiempo, el valor de la velocidad instantánea viene dado por la pendiente de la tangente a la curva en el punto considerado. La dirección de la velocidad instantánea en cierto punto es la de la tangente a la trayectoria en dicho punto. La celeridad, o rapidez, es la rapidez con que varía la distancia o longitud del camino recorrido durante el movimiento: Δd / Δt. La celeridad o rapidez instantánea sí es igual al valor o módulo de la velocidad instantánea.

Aceleración

La aceleración es la rapidez con que cambia la velocidad: a = Δv / Δt. Basta conocer la aceleración de un cuerpo para comprender su movimiento.