Conceptos Fundamentales de Mecánica: Leyes de Newton, Movimiento y Gravitación
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Fundamentos de la Mecánica y el Movimiento
Propiedades de los Cuerpos y Fuerzas
Según la Ley de Newton, los cuerpos pueden clasificarse como rígidos, elásticos o plásticos. Si la fuerza aplicada es muy grande, algunos cuerpos presentan un límite de rotura y un límite de elasticidad.
Una fuerza se define como cualquier acción que, al aplicarse sobre un cuerpo, puede generar dos tipos de efectos:
- Efecto estático.
- Efecto dinámico.
La Ley de Hooke establece que, al deformar un muelle, la deformación producida es directamente proporcional al valor de la fuerza ejercida. Su expresión matemática es: F = K · ΔL (donde K es la constante elástica y ΔL es la variación de longitud).
Conceptos de Movimiento y Posición
Relatividad del Movimiento
El movimiento es relativo, ya que su descripción depende del sistema de referencia elegido.
Un sistema de referencia es un conjunto de puntos que consideramos fijo para describir el movimiento.
Descripción del Movimiento
La trayectoria es la línea que describe el móvil durante su movimiento. El movimiento puede clasificarse según su trayectoria:
- Rectilíneo.
- Circular.
- Parabólico.
La posición es el lugar que ocupa el móvil en un instante determinado.
El desplazamiento es la distancia más corta existente entre la posición inicial y la final.
Magnitudes del Movimiento
El espacio recorrido es una magnitud que mide la distancia total recorrida. La velocidad media se calcula como: velocidad media = espacio recorrido / tiempo empleado.
La velocidad instantánea es la velocidad que lleva el móvil en un instante específico de su recorrido.
Tipos de Movimiento
Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU)
Un móvil tiene un movimiento rectilíneo si su trayectoria es una línea recta y su velocidad es constante.
Movimiento Circular Uniforme (MCU)
El Movimiento Circular Uniforme (MCU) ocurre cuando un cuerpo describe una trayectoria circular con una velocidad de valor constante.
Parámetros del MCU
- El Periodo (T) es el tiempo que tarda el cuerpo en repetir el movimiento o completar una vuelta.
- La Frecuencia (f) es el número de veces que se repite el movimiento en la unidad de tiempo. Se relaciona con el periodo mediante la fórmula: f = 1/T.
Aceleración
La aceleración (a) es una magnitud que mide cómo varía la velocidad por unidad de tiempo. La aceleración media se calcula como: variación de velocidad / tiempo empleado.
Relación entre Fuerza y Movimiento
Si no actúa ninguna fuerza, el cuerpo mantiene su estado: si estaba en reposo, seguirá en reposo; si estaba en movimiento, continuará moviéndose (MRU).
Los cuerpos presentan:
- MRU cuando no actúa ninguna fuerza neta.
- MCU cuando actúa una fuerza que solo cambia la dirección del vector velocidad, pero no su magnitud (módulo).
La fuerza de rozamiento siempre se opone al movimiento. Aparece cuando un cuerpo se mueve sobre otro cuerpo o superficie.
Fuerzas Fundamentales y Modelos Astronómicos
Fuerzas Naturales
La fuerza gravitatoria y la fuerza eléctrica son dos tipos fundamentales de fuerzas que existen en la naturaleza y son responsables de la mayor parte de los fenómenos que observamos.
Modelos del Universo
Modelo Geocéntrico
El modelo geocéntrico postula que la Tierra está en el centro del universo y los demás cuerpos celestes giran a su alrededor.
En este modelo se definen:
- El epiciclo: cada una de las circunferencias descritas por un planeta.
- El deferente: la circunferencia más grande que sirve de centro para los epiciclos.
Modelo Heliocéntrico y Leyes de Kepler
El modelo heliocéntrico sitúa al Sol en el centro del universo. Alrededor giran todos los planetas describiendo una órbita circular (o elíptica, según Kepler) y cada uno posee una velocidad característica.
Las Leyes de Kepler
Las Leyes de Kepler describen el movimiento planetario:
- Primera ley de Kepler (Ley de las Órbitas): Los planetas giran alrededor del Sol describiendo órbitas elípticas, estando el Sol situado en uno de los focos de la elipse. El punto más cercano al Sol se denomina perihelio y el más lejano, afelio.
- Segunda ley de Kepler (Ley de las Áreas): El radio vector que une el planeta y el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales.
- Tercera ley de Kepler (Ley de los Periodos): Los planetas más alejados del Sol se mueven más lentamente y tardan más tiempo en completar su órbita.