Conceptos Fundamentales de Física: Fuerzas, Energía y Electricidad

Fuerzas: Interacciones entre Cuerpos

Las fuerzas representan las interacciones entre cuerpos y se miden en Newtons (N). La fuerza cuantifica la intensidad de la interacción entre dos cuerpos. Son magnitudes vectoriales.

Tipos de Fuerzas

• Por contacto
• A distancia

Leyes de Newton

1ª Ley de Newton (Ley de Inercia)

Todo cuerpo permanece en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme si no actúa sobre él una fuerza neta, o si la suma de las fuerzas que actúan sobre él es nula. La tendencia al reposo se conoce como inercia.

2ª Ley de Newton (Ley Fundamental de la Dinámica)

La fuerza aplicada sobre un cuerpo es directamente proporcional a la aceleración que produce.

Fórmulas:

• F = m * a
• P = m * g
• T - P = m * a
• F = m * a / cos

3ª Ley de Newton (Ley de Acción y Reacción)

Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, este ejerce otra fuerza de igual módulo y dirección, pero en sentido contrario al primero.

Fuerza Gravitatoria

Ley de Gravitación Universal

Dos cuerpos cualesquiera 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 existe entre sus centros.

Impulso Mecánico

Es igual a la variación del momento lineal. Cuando la fuerza aplicada al cuerpo se anula, el momento lineal del cuerpo se mantiene constante, lo que constituye el principio de conservación del momento lineal.

Trabajo, Potencia y Energía

1. Trabajo Mecánico

Para que exista trabajo, se necesita una fuerza cuyo punto de aplicación se mueva. Una fuerza en movimiento produce trabajo; una fuerza estacionaria, no. No se realiza trabajo si no hay una fuerza y un desplazamiento.

Trabajo: es la transferencia de energía que se produce cuando una fuerza genera un desplazamiento.

Trabajo mecánico: producto del módulo de la fuerza por el desplazamiento en la misma dirección que la fuerza.

Trabajo de rozamiento: la fuerza de rozamiento actúa en sentido opuesto al desplazamiento; el trabajo de rozamiento es siempre negativo.

2. Potencia

Una fuerza es tanto más eficaz cuanto menor sea el tiempo que emplea en realizar un trabajo determinado.

Potencia: es una magnitud que se define como el trabajo realizado en la unidad de tiempo.

3. Energía

Un cuerpo tiene energía cuando es capaz de generar algún cambio o transformación.

4. Energía Cinética (debida al movimiento)

Teorema de las fuerzas vivas: el trabajo realizado por la fuerza total al desplazar un cuerpo es igual al cambio que experimenta la energía cinética de dicho cuerpo.

5. Energía Potencial (debida a la posición)

Un cuerpo posee energía potencial si puede realizar trabajo al cambiar de posición.

El valor de la energía potencial gravitatoria terrestre viene dado por el trabajo que es necesario realizar para elevar un cuerpo una cierta altura, venciendo su peso.

Energía potencial elástica: directamente proporcional al cuadrado del alargamiento o acortamiento presentado por el muelle.

6. Energía Mecánica

En un sistema aislado en el que no hay rozamiento, la energía mecánica se conserva; es decir, la suma de las energías cinética y potencial es constante. Una fuerza es conservativa si el trabajo total realizado sobre un cuerpo, cuando este describe una trayectoria cerrada, es cero. Las fuerzas gravitatorias y las fuerzas elásticas son conservativas, pero las fuerzas de rozamiento no lo son.

7. Transformaciones Energéticas

Cuando existen rozamientos, la energía mecánica no se conserva, pues parte de la energía mecánica se convierte en calor.

La energía no se puede crear ni destruir, pero sí se puede transformar de unas formas en otras. Así, la cantidad total de energía en el universo es constante.

Corriente Eléctrica y Leyes Fundamentales

Corriente eléctrica: movimiento ordenado y permanente de electrones a través de un conductor cuando entre sus extremos existe una diferencia de potencial.

Intensidad de corriente: es la cantidad de carga que atraviesa la sección recta de un conductor en la unidad de tiempo. Se mide en amperios (A).

Ley de Ohm: la intensidad de corriente que pasa por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial.

1. Interacción entre Cargas en Reposo: Ley de Coulomb

Características de la Fuerza de Interacción entre Dos Cargas

• Es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa las cargas.
• Tiene la dirección de la recta que las une.
• Es proporcional al producto de dichas cargas.

Ley de Coulomb: el valor de la fuerza con que se atraen o repelen dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de dichas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

2. Campo Eléctrico

Se dice que existe un campo eléctrico en una región del espacio si una carga de prueba en reposo (Q), colocada en un punto de esa región, experimenta una fuerza eléctrica.

Diferencia de Potencial Eléctrico entre Dos Puntos

La variación de la energía potencial de una unidad de carga positiva. Es igual al trabajo que se debe realizar para trasladar una unidad de carga positiva desde un punto al otro.

Una carga positiva colocada en un campo eléctrico se mueve espontáneamente en la dirección del campo, hacia los potenciales decrecientes. Si una carga negativa se coloca en un campo eléctrico, tiende a moverse en sentido contrario a este, es decir, hacia potenciales crecientes.