Física de la Dinámica y el Equilibrio: Fuerzas, Leyes de Newton y Torque

Dinámica: Conceptos Fundamentales

La Dinámica es la rama de la física que estudia el movimiento de los cuerpos, considerando las causas que lo producen.

Interacciones y Fuerzas

• Interacciones: Son las acciones mutuas que ejercen los cuerpos entre sí.
• Fuerza: Es una magnitud de carácter vectorial, cuyos elementos son: magnitud, punto de aplicación, dirección y sentido. Es toda causa capaz de originar dos clases de efectos:
  • Efecto Dinámico: Cuando produce o modifica el estado de movimiento de un cuerpo.
  • Efecto Deformador: Cuando cambia la forma de un cuerpo.

Fuerzas Mecánicas Especiales

• Peso de un Cuerpo: Es la fuerza con la que un cuerpo es atraído hacia la Tierra.
• Fuerza Elástica: Tiende a regresar el cuerpo a su posición original tras una deformación.
• Fuerza Normal: Es la fuerza perpendicular que una superficie ejerce sobre un cuerpo que se encuentra apoyado sobre ella.
• Fuerza de Tensión: Es la fuerza ejercida por una cuerda (considerada de masa despreciable e inextensible) sobre un cuerpo ligado a ella.
• Fuerza de Fricción o Roce: Es la fuerza que se origina en la superficie de contacto entre dos cuerpos y se opone al movimiento relativo entre ellos.

Leyes de Newton del Movimiento

La Inercia es la propiedad de los cuerpos que representa la dificultad para cambiar su estado de movimiento o de reposo.

1. Primera Ley de Newton (Ley de la Inercia): Todo cuerpo que está en reposo permanece en reposo, y todo cuerpo que se encuentra en Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU) permanece en dicho estado, a menos que actúen fuerzas no equilibradas sobre él.
2. Segunda Ley de Newton (Ley Fundamental de la Dinámica o Ley de la Fuerza y la Masa): La aceleración que adquiere un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza neta aplicada sobre él e inversamente proporcional a su masa.
3. Tercera Ley de Newton (Ley de Acción y Reacción): Si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro (acción), este último reacciona sobre el primero con una fuerza de igual magnitud y dirección, pero de sentido opuesto (reacción).

Diagrama de Cuerpo Libre (DCL)

El Diagrama de Cuerpo Libre (DCL) es un diagrama cartesiano cuyo origen de coordenadas se sitúa en el cuerpo (reducido a un punto), sobre el cual se dibujan todas las fuerzas externas aplicadas.

La Fuerza Neta (F_n) es la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo. Un cuerpo se encuentra en reposo o en Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU) cuando la fuerza neta es cero. Cuando hay movimiento acelerado, la fuerza neta siempre tiene el mismo sentido que la aceleración del cuerpo y su magnitud no puede ser negativa.

Equilibrio y Estabilidad en Física

• Estática: Es la rama de la mecánica que estudia las condiciones de equilibrio de los cuerpos.
• Cuerpo Rígido: Es aquel que no se deforma ante la aplicación de fuerzas externas.
• Centro de Masa (CM): Es el punto donde se puede considerar concentrada toda la masa de un cuerpo. Si una fuerza externa se aplica en este punto, solo producirá un movimiento de traslación.
• Centro de Gravedad (CG): Es el punto donde se considera aplicada la resultante de todas las fuerzas de gravedad que actúan sobre las distintas partículas de un cuerpo.
• Equilibrar un Objeto: Es una técnica utilizada para encontrar su centro de gravedad.
• Tipos de Equilibrio:
  • Equilibrio Estático: El cuerpo se encuentra y permanece en reposo.
  • Equilibrio Dinámico: El cuerpo se encuentra y permanece en Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU).
• Condición de Equilibrio: Un cuerpo está en equilibrio cuando la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre él es cero.

Momento de una Fuerza (Torque)

El Momento de una Fuerza (también conocido como Torque) es la magnitud que mide la tendencia de una fuerza a producir rotación alrededor de un eje. Se calcula como el producto de la magnitud de la fuerza aplicada por el brazo de la fuerza.

• Brazo de una Fuerza (d): Es la distancia perpendicular entre el eje de rotación y la línea de acción de la fuerza.
• Momentos Positivos: Se consideran positivos cuando el sentido de rotación que producen es contrario al de las agujas del reloj.
• Momentos Negativos: Se consideran negativos cuando el sentido de rotación que producen es el mismo que el de las agujas del reloj.
• Momento Neto o Total: Es la suma algebraica de todos los momentos de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo.

Equilibrio Total de un Cuerpo Rígido

• Equilibrio de Traslación: Ocurre cuando la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo es igual a cero (∑F = 0). Esto implica que el cuerpo no tiene aceleración lineal.
• Equilibrio de Rotación: Ocurre cuando la suma algebraica de todos los momentos (torques) que actúan sobre el cuerpo es igual a cero (∑M = 0). Esto implica que el cuerpo no tiene aceleración angular.
• Equilibrio Total: Un cuerpo se encuentra en equilibrio total cuando cumple simultáneamente las condiciones de equilibrio de traslación y equilibrio de rotación.