Dinámica: Conceptos y Principios Fundamentales

La dinámica es la rama de la física que estudia los movimientos de los cuerpos en relación con las causas que los provocan, es decir, la fuerza.

La Fuerza

Se define como toda causa capaz de deformar un cuerpo o modificar su estado de movimiento o reposo. Es una magnitud vectorial, lo que implica que posee módulo, dirección y sentido. Las unidades en las que se mide la fuerza son:

• Sistema Cegesimal (CGS): Dina (dyn)
• Sistema Internacional (SI): Newton (N)
• Sistema Técnico: Kilopondio (kp)

Equivalencias:

• 1 kp = 9,8 N
• 1 N = 10⁵ dyn

Sistema de Fuerzas

Es un conjunto de fuerzas que actúan simultáneamente sobre un cuerpo. La resultante del sistema de fuerzas es la fuerza equivalente a todas las demás, produciendo el mismo efecto sobre el cuerpo.

Centro de Masas

Es el punto geométrico donde se considera concentrada toda la masa de un cuerpo. Las fuerzas que actúan sobre un cuerpo se asumen aplicadas en su centro de masas.

Centro de Gravedad

Es el punto donde se aplica la fuerza de gravedad (g). En cuerpos de masa pequeña (como un avión), el centro de masas y el centro de gravedad coinciden. Sin embargo, en cuerpos de mayor masa (como un planeta), estos puntos no coinciden.

Partícula

Se considera una partícula como una masa puntual; matemáticamente, un punto no tiene dimensiones. Por lo tanto, podemos considerar que los cuerpos se comportan como partículas, ya que su masa está concentrada en el centro de masas.

Cantidad de Movimiento

Se representa con la letra p (vectorial). Es una magnitud vectorial y se define como el producto de la masa (m) por la velocidad (v): p = m * v. Las unidades de su módulo son kg·m/s.

Impulso Mecánico de una Partícula

Se representa con la letra I. Es una magnitud vectorial y se define como el producto de la fuerza (F) por el intervalo de tiempo (Δt) durante el cual actúa: I = F * Δt. Sus unidades son N·s.

Principios de la Dinámica

1. Principio de Inercia

Si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza, o si la resultante de todas las fuerzas es cero, el cuerpo permanece en reposo o se mueve con movimiento rectilíneo uniforme (MRU).

2. Principio Fundamental de la Dinámica (o Principio de Acción)

Si sobre una partícula actúa una fuerza, esta adquiere una aceleración en la misma dirección y sentido de la fuerza. Esta aceleración es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la masa de la partícula.

De esta relación se deduce la ecuación fundamental de la dinámica:

F = m * a

Si actúan varias fuerzas sobre el cuerpo, la ecuación se expresa como:

Donde ΣF representa la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo.

El peso (P) es una fuerza, y su expresión es similar a la de cualquier otra fuerza (m * a), donde la aceleración es la aceleración de la gravedad (g). El peso tiene la misma dirección y sentido que la gravedad:

P = m * g

3. Principio de Acción y Reacción

Si una partícula ejerce una fuerza (acción) sobre otra, la segunda partícula responde con una fuerza igual en magnitud, pero de sentido contrario (reacción).

Aplicación a un Sistema de Partículas

Concepto de sistema: Es la porción de materia que se considera como objeto de estudio. El entorno es la parte material que rodea al sistema y que no forma parte de él.

• Fuerzas externas al sistema: Son aquellas que provienen del entorno y se ejercen sobre las partículas que componen el sistema.
• Fuerzas internas al sistema: Son aquellas que se ejercen entre las partículas del propio sistema.

Suma de las fuerzas del sistema: En un sistema de partículas, si la partícula 1 ejerce una fuerza sobre la partícula 2, por el principio de acción y reacción, la partícula 2 ejerce una fuerza de igual módulo pero sentido contrario sobre la partícula 1. Por lo tanto, la suma de estas dos fuerzas internas es cero.

Este efecto se produce entre cada par de partículas del sistema, de modo que la suma total de las fuerzas internas del sistema siempre es cero.