Conceptos Fundamentales de Física: Leyes, Fuerzas y Movimiento

Leyes Fundamentales de la Física y Conceptos Clave

Ley de Hooke

El científico inglés Robert Hooke enunció la siguiente ley: "Las fuerzas aplicadas sobre un cuerpo son proporcionales a las deformaciones producidas."

La expresión matemática de la Ley de Hooke es:

F = K * Δl

Donde:

• F es la fuerza aplicada.
• K es la constante elástica del muelle (o del material).
• Δl (delta l) es la deformación o alargamiento producido.

En el caso de un muelle, la deformación que se produce es el alargamiento, que se calcula como la diferencia entre la longitud final (l) y la longitud inicial (l₀): Δl = l - l₀.

La constante elástica (K) se define como la relación entre la fuerza aplicada y la deformación producida, y sus unidades son:

K = F / Δl = N/m (Newton por metro)

Momento de un Par de Fuerzas (Torque)

Es una magnitud vectorial que se define como el producto de una cualquiera de las fuerzas por el brazo del par (distancia perpendicular entre las fuerzas).

M = F₁ * d = F₂ * d

La dirección del momento de un par de fuerzas será perpendicular al plano que contiene a ambas fuerzas.

Unidades:

• Sistema Internacional (SI): Newton-metro (N·m)
• Sistema CGS: Dina-centímetro (dina·cm)
• Sistema Técnico: Kilopondio-metro (Kp·m)

Momento de una Fuerza Respecto a un Punto

Es el producto vectorial de una fuerza por el vector de posición desde el punto de referencia hasta el punto de aplicación de la fuerza.

M = F × r (producto vectorial)

El módulo de este producto vectorial es igual al producto del módulo de la fuerza por el módulo del vector posición y por el seno del ángulo (α) que forman las direcciones de la fuerza y el vector posición:

M = |F| * |r| * sen α

Siendo sen α = d/r, donde 'd' es la distancia perpendicular desde el punto de referencia a la línea de acción de la fuerza, la fórmula se simplifica a:

M = F * d

La dirección del momento será perpendicular al plano que contenga la fuerza y el vector posición.

Unidades: Las mismas que para el momento de un par de fuerzas (N·m, dina·cm, Kp·m).

Gravitación y Campos

Ley de Gravitación Universal de Newton

Cuando dos cuerpos se encuentran separados a una distancia, aparece entre ellos una fuerza de atracción. Esta fuerza será tanto mayor cuanto mayores sean las masas de ambos cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

A estas fuerzas de atracción se las denomina fuerzas gravitatorias y fueron estudiadas por Isaac Newton en la Ley de Gravitación Universal:

"La fuerza con la que se atraen dos cuerpos es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa."

La expresión matemática es:

F = G * (m₁ * m₂) / d²

Donde:

• F es la fuerza gravitatoria.
• G es la Constante de Gravitación Universal, con un valor aproximado de 6.67 × 10⁻¹¹ N·m²/kg².
• m₁ y m₂ son las masas de los dos cuerpos.
• d es la distancia entre los centros de los cuerpos.

La constante G también puede expresarse como: G = F * d² / (m₁ * m₂) = N·m²/kg².

Campo Gravitatorio

Es una perturbación que un cuerpo produce en el espacio que lo rodea por el hecho de tener masa.

Intensidad del Campo Gravitatorio

También conocido simplemente como campo gravitatorio en un punto del espacio, es la fuerza que actuaría sobre la unidad de masa colocada en ese punto.

g = G * M / d²

Donde:

• g es la intensidad del campo gravitatorio.
• G es la Constante de Gravitación Universal.
• M es la masa del cuerpo que crea el campo.
• d es la distancia desde el centro del cuerpo.

Peso de un Cuerpo

Es la fuerza con la que la gravedad lo atrae hacia el centro de la Tierra.

P = m * g

Donde:

• P es el peso.
• m es la masa del cuerpo.
• g es la intensidad del campo gravitatorio (aceleración de la gravedad).

El peso es una magnitud vectorial y, al ser una fuerza, sus unidades serán las mismas que las de esta: dina, newton (N) y kilopondio (Kp).

Fuerzas Eléctricas y Campos

Fuerzas Eléctricas: Ley de Coulomb

Son las fuerzas que se manifiestan debido a las cargas eléctricas (positivas o negativas) de los cuerpos. Estas fuerzas son de atracción cuando las cargas son de distinto signo y de repulsión cuando son de igual signo.

Fueron estudiadas por Charles-Augustin de Coulomb, quien las expresó en la siguiente ley:

"La fuerza con la que se atraen o se repelen dos cargas eléctricas en reposo es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa."

La expresión matemática es:

F = K * (Q₁ * Q₂) / d²

Donde:

• F es la fuerza eléctrica.
• K es la constante de Coulomb (o constante electrostática).
• Q₁ y Q₂ son las magnitudes de las cargas eléctricas.
• d es la distancia entre las cargas.

Campo Eléctrico

Es aquella región del espacio donde se manifiestan los efectos de atracción y repulsión sobre otra carga colocada en sus proximidades.

Se le representa mediante un vector de intensidad y se le designa con la letra E.

La intensidad del campo eléctrico en un punto es el cociente entre la fuerza que actúa sobre una carga de prueba y la magnitud de esa carga:

E = F / q

Donde:

• E es la intensidad del campo eléctrico.
• F es la fuerza eléctrica.
• q es la carga de prueba.

Unidad SI: Newton por Coulomb (N/C).

Conceptos de Movimiento Circular

Vector Posición (en Movimiento Circular)

En el movimiento circular se le denomina radiovector. Es un vector cuyo origen se encuentra en el centro de la circunferencia y su extremo en la trayectoria que describe el móvil.

Vector Desplazamiento

Es la diferencia entre dos radiovectores en un tiempo determinado.

Velocidad Angular Media (ω)

Es el cociente entre el incremento del ángulo (Δθ) y el incremento de tiempo (Δt).

ω_media = Δθ / Δt

Velocidad Angular Instantánea (ω)

Es el límite de la velocidad angular media cuando el incremento de tiempo tiende a cero.

(Nota: El texto original estaba incompleto aquí, se mantiene la formulación.)

Unidades de la Velocidad Angular

El ángulo en física se representa en radianes.

• Radián: Es el ángulo central de una circunferencia que abarca un arco de longitud igual al radio.
• Las unidades en el Sistema Internacional (SI) son radianes por segundo (rad/s).
• Existe una unidad práctica fuera del sistema: revoluciones por minuto (rpm).

Velocidad Lineal o Tangencial Media e Instantánea (v)

Es el cociente del incremento del vector desplazamiento entre el incremento de tiempo.

Unidades: centímetro por segundo (cm/s), metro por segundo (m/s).

Periodo (T)

Es el tiempo que invierte un móvil en realizar una vuelta completa.

Se representa con T y se expresa en segundos (s).

T = 1 / f (donde 'f' es la frecuencia)

Frecuencia (f o N)

Es el número de vueltas que realiza un móvil en la unidad de tiempo.

Se le representa mediante f (o N) y se expresa en vueltas/s, s⁻¹ o Hertz (Hz).

f = 1 / T