Conceptos Fundamentales de Física: Fuerza, Movimiento y Aceleración

Fuerza: Conceptos Fundamentales y Tipos

Definición de Fuerza

Definición: Una fuerza es una causa capaz de:

• Iniciar el movimiento de un cuerpo.
• Cambiar la velocidad o la trayectoria de un cuerpo.
• Deformar objetos.

Unidad de Medida: La unidad de medida de la fuerza en el Sistema Internacional es el Newton (N).

Tipos de Fuerza

Las fuerzas se pueden clasificar principalmente en:

• Fuerzas por contacto: Requieren el contacto directo entre los cuerpos (ej. empujar, frenar, estirar).
• Fuerzas a distancia: Actúan sin necesidad de contacto físico (ej. la fuerza de gravedad, la fuerza magnética, la fuerza eléctrica).

Naturaleza Vectorial: La fuerza es una magnitud vectorial, lo que significa que posee módulo (intensidad), dirección y sentido.

Suma de Fuerzas: Composición Vectorial

Cuando varias fuerzas actúan sobre un mismo cuerpo, su efecto combinado se representa mediante una fuerza resultante (F_r). La forma de calcularla depende de la dirección y sentido de las fuerzas:

• Fuerzas con el mismo sentido: La fuerza resultante es la suma de sus módulos.

  F_r = F₁ + F₂

• Fuerzas con sentido contrario: La fuerza resultante es el valor absoluto de la diferencia de sus módulos.

  F_r = |F₁ - F₂|

• Fuerzas perpendiculares: La fuerza resultante se calcula utilizando el Teorema de Pitágoras.

  F_r = √(F₁² + F₂²)

Tipos de Cuerpos según su Deformación

Los cuerpos pueden clasificarse según cómo reaccionan a la aplicación de una fuerza que intenta deformarlos:

• Cuerpo Rígido: No se deforma bajo la acción de fuerzas (ej. una piedra).
• Cuerpo Elástico: Recupera su forma original una vez que la fuerza que lo deformó deja de actuar (ej. un muelle o resorte).
• Cuerpo Plástico: No recupera su forma original después de ser deformado; la deformación es permanente (ej. la plastilina).

Instrumento de Medida de la Fuerza

• El Dinamómetro es el instrumento utilizado para medir la intensidad de una fuerza. Funciona basándose en la Ley de Hooke, utilizando la deformación de un muelle calibrado.

Movimiento: Conceptos Fundamentales de la Cinemática

Definición de Movimiento

Definición: El movimiento se define como el cambio de posición de un cuerpo a lo largo del tiempo, respecto a un sistema de referencia. Es un concepto inherentemente relativo.

Conceptos Clave del Movimiento

• Trayectoria: Es el camino real o la línea que describe un cuerpo en su movimiento.
• Posición: Es el lugar o punto exacto donde se encuentra un cuerpo en un instante determinado.
• Espacio Recorrido: Es la longitud total de la trayectoria que un cuerpo ha cubierto.
• Desplazamiento: Es el vector que une la posición inicial con la posición final de un cuerpo, independientemente de la trayectoria seguida.

Velocidad: Media e Instantánea

Velocidad Media

La velocidad media (v) se calcula como la relación entre el espacio recorrido (d) y el tiempo (t) empleado en recorrerlo.

• Fórmula: v = d / t

Mnemotécnica (Pirámide):

  d
 ---
 v | t

Velocidad Instantánea

Es la velocidad de un cuerpo en un momento o instante de tiempo específico (ej. la que marca un velocímetro en un automóvil).

Aceleración: Concepto y Cálculo

Fórmula de la Aceleración

La aceleración (a) es la magnitud física que mide la tasa de cambio de la velocidad de un cuerpo por unidad de tiempo.

a = Δv / Δt

Donde:

• Δv (cambio de velocidad) = Velocidad final (v_f) - Velocidad inicial (v_i)
• Δt (cambio de tiempo) = Tiempo final (t_f) - Tiempo inicial (t_i)

Mnemotécnica (Pirámide):

  Δv
 -----
 a | Δt

Aceleración: Concepto y Cálculo

Fórmula de la Aceleración

La aceleración (a) es la magnitud física que mide la tasa de cambio de la velocidad de un cuerpo por unidad de tiempo.

a = Δv / Δt

Donde:

  Δv
 -----
 a | Δt

Significado de los Símbolos

• Δv (cambio de velocidad): Representa la diferencia entre la velocidad final (v_f) y la velocidad inicial (v_i).
• Δt (cambio de tiempo): Representa la diferencia entre el tiempo final (t_f) y el tiempo inicial (t_i).

Interpretación de la Aceleración

• Si a > 0 → El cuerpo acelera (su velocidad aumenta).
• Si a < 0 → El cuerpo desacelera o frena (su velocidad disminuye).
• Unidad: La unidad de la aceleración en el Sistema Internacional es el metro por segundo al cuadrado (m/s²).

Tipos de Movimiento: Clasificación Cinemática

Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU)

El MRU es el tipo de movimiento más simple, caracterizado por:

• Trayectoria: Recta.
• Velocidad: Constante en módulo y dirección (lo que implica que la aceleración es nula).
• Fórmulas Clave:
  • v = d / t
  • d = v × t
  • t = d / v

Mnemotécnica (Pirámide):

  d
 ---
 v | t

Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado (MRUA)

El MRUA es un movimiento en línea recta donde la velocidad cambia de manera uniforme debido a una aceleración constante.

• Trayectoria: Recta.
• Aceleración: Constante y diferente de cero.

Fórmulas del MRUA

• Velocidad final (v_f):

  v_f = v_i + a × t

• Posición final (x_f):

  x_f = x_i + v_i × t + ½ × a × t²

• Ecuación Independiente del Tiempo:

  v_f² = v_i² + 2 × a × (Δx)

Significado del Factor (1/2) en la Ecuación de Posición del MRUA

El factor 1/2 (un medio o 0.5) en la ecuación de posición del MRUA (x_f = x_i + v_it + ½at²) surge de la integración de la velocidad para obtener la posición cuando la aceleración es constante. Representa el hecho de que, bajo aceleración constante, la velocidad promedio durante un intervalo de tiempo no es simplemente la velocidad inicial, sino que aumenta linealmente. Este término cuantifica la contribución de la aceleración al desplazamiento total del cuerpo.

Movimiento Circular Uniforme (MCU)

El MCU describe el movimiento de un cuerpo que se desplaza a una velocidad constante en una trayectoria circular.

• Trayectoria: Circular.
• Velocidad: Su módulo (rapidez) es constante, pero su dirección cambia continuamente, lo que implica la existencia de una aceleración centrípeta dirigida hacia el centro de la trayectoria.

Ejemplos: Las manecillas de un reloj, un satélite en órbita circular alrededor de un planeta, una partícula en un tocadiscos girando a velocidad constante.