Cinemática, dinámica y máquinas simples: conceptos fundamentales de la física

Fundamentos de la Mecánica Clásica

1. Cinemática: Estudio del Movimiento

Cinética: Estudio del movimiento sin considerar las fuerzas que lo producen (a menudo referido como Cinemática).

Movimiento: Es un cambio de posición de un cuerpo en el tiempo.

Desplazamiento: Magnitud vectorial que se define como el cambio de posición de un cuerpo.

Distancia: Longitud total del camino recorrido por el cuerpo (magnitud escalar).

Trayectoria: Curva formada por todas las posiciones tomadas por un cuerpo durante su movimiento.

Rapidez (Velocidad Escalar): Valor (magnitud) del vector velocidad en un instante (siempre positivo).

Velocidad: Magnitud vectorial que expresa la rapidez y dirección del movimiento de un cuerpo. Fórmula: V = D/T (Unidades: m/s).

Aceleración: Variación de la velocidad por unidad de tiempo. Fórmula: A = ΔV / T (Unidades: m/s²).

Tipos de Movimiento Rectilíneo y Vertical

Movimiento Rectilíneo: Es aquel que describe una trayectoria en línea recta.

MRU (Movimiento Rectilíneo Uniforme): El vector de velocidad es constante durante todo el tiempo (inicio a fin).

MRUA (Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado): La aceleración es constante. Fórmula: A = (Vf - Vi) / T (Unidades: m/s²).

Caída Libre: Caída vertical de un cuerpo solo bajo la influencia de la fuerza de gravedad (Aceleración de la gravedad g ≈ 10 m/s²).

Tiro Vertical: Movimiento ascendente o descendente vertical solo bajo la influencia de la gravedad.

2. Movimiento Circular

Movimiento Circular Uniforme (MCU): Ocurre cuando la trayectoria es una circunferencia completa y la rapidez es constante.

Desplazamiento Angular (Δθ): Cambio de posición angular de un cuerpo. Fórmula: Δθ = θf - θi.

Velocidad Angular (ω): Cociente entre el desplazamiento angular y el tiempo. Fórmula: ω = Δθ / T (Unidades: grados/s o rad/s).

3. Dinámica y Leyes de Newton

Fuerza: Magnitud vectorial capaz de generar dos efectos principales cuando se aplica en un cuerpo. Fórmula: F = m × a.

Efectos de la Fuerza

• Efecto Estático: El cuerpo se deforma.
• Efecto Dinámico: Generar movimiento en un cuerpo en reposo o modificar el movimiento de un cuerpo en movimiento.

Leyes Fundamentales

Primera Ley de Newton (Ley de Inercia): Todo cuerpo se mantiene en reposo o movimiento rectilíneo uniforme, siempre y cuando no se le aplique una fuerza externa neta.

Segunda Ley de Newton (Ley Fundamental de la Dinámica): Cuando un cuerpo experimenta una fuerza neta, la aceleración es proporcional a dicha fuerza e inversamente proporcional a la masa.

Tercera Ley de Newton (Acción y Reacción): Para cada fuerza de acción existe una reacción igual en magnitud, pero con sentido diferente.

Fuerzas Específicas

Gravedad (Peso): Fuerza con que la Tierra atrae los objetos hacia su centro. Fórmula: P = m × g.

Rozamiento (Fricción): Fuerza aplicada de forma paralela a una superficie que se opone al movimiento.

Esfuerzos Mecánicos

Compresión: Esfuerzo generado por dos fuerzas con la misma dirección y magnitud, pero sentido contrario, que convergen en un punto en común (tienden a acortar el cuerpo).

Tracción: Esfuerzo que tiende a estirar o alargar un cuerpo (ejemplos: tendones, cuerdas).

Corte (Cizalladura): Se produce por fuerzas opuestas aplicadas sobre un cuerpo, sin punto en común, tendiendo a deslizar una sección sobre otra.

Flexión: Esfuerzo que tiende a curvar un cuerpo, generado por fuerzas aplicadas en diferentes lugares.

Torque (Momento de Fuerza): Capacidad de una fuerza para generar movimiento rotacional.

4. Trabajo, Potencia y Energía

Trabajo ($W$): Energía transferida por una fuerza para generar movimiento en línea recta. Fórmula: W = F · D · cos(θ). Unidad: Joule (J).

Potencia ($P$): Cantidad de trabajo realizado por una fuerza en un determinado tiempo. Fórmula: P = W/T. Unidad: Watt (J/s).

5. Máquinas Simples

Palancas: Máquina simple compuesta por una barra rígida y un punto de apoyo (fulcro) donde actúan dos fuerzas (resistencia y potencia). Se utilizan solo en movimientos rotacionales.

Poleas: Mecanismo de una rueda que gira en torno a un eje, cuyo objetivo es proporcionar una ventaja mecánica.

Tipos de Poleas y Sistemas

Poleas Fijas: Cuelgan de un punto fijo. No proporcionan ventaja mecánica en la fuerza, solo cambian su dirección. La fuerza aplicada es igual a la resistencia (F = R).

Poleas Móviles: No están unidas a una superficie fija. La fuerza necesaria es la mitad de la resistencia (F = R/2).

Polipastos (Sistemas de Poleas): Son sistemas que combinan poleas fijas y móviles.

Clasificación de Polipastos

• Polipasto Factorial: Compuesto por dos o más poleas fijas y una o más móviles. Fórmula: F = R / (2N) (donde N es el número de poleas móviles).
• Polipasto Potencial: Compuesto por una o más poleas fijas y dos o más móviles. Fórmula: F = R / 2ⁿ (donde N es el número de poleas móviles).