Física Fundamental: Fuerzas, Leyes de Newton, Kepler y Presión Hidrostática
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Fuerzas y Leyes de Newton
La fuerza es toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo o de producir una deformación en él.
Elementos de un Vector Fuerza
En el vector fuerza podemos distinguir estos elementos:
- Punto de aplicación: Lugar donde se aplica la fuerza.
- Intensidad o módulo: Valor numérico expresado en newton (N).
- Dirección: La de la recta que soporta al vector.
- Sentido: El que indica la punta de la flecha.
Equilibrio de un Cuerpo
Un cuerpo está en equilibrio cuando se halla en reposo o se mueve con un MRU (Movimiento Rectilíneo Uniforme). Para ello, la resultante de todas las fuerzas aplicadas al cuerpo debe ser nula.
Leyes de Newton
Primera Ley de Newton o Principio de la Inercia
Si sobre un cuerpo no actúa una fuerza neta, ese cuerpo permanecerá en reposo o con movimiento rectilíneo y uniforme.
La inercia es la tendencia de los cuerpos a mantener su estado de reposo o su estado de movimiento.
Segunda Ley de Newton o Principio Fundamental de la Dinámica
La aceleración de un cuerpo es proporcional a la fuerza resultante o fuerza neta ejercida sobre el mismo, tiene la misma dirección y sentido que dicha fuerza y es inversamente proporcional a su masa: a = F/m.
El newton (N) es la fuerza necesaria para comunicar a 1 kg de masa una aceleración de 1 m/s², es decir: 1 N = 1 kg·m/s².
Tercera Ley de Newton o Principio de Acción y Reacción
Las fuerzas de acción y reacción tienen idéntico módulo y la misma dirección, pero sentidos opuestos, y están aplicadas sobre cuerpos diferentes, por lo que no se anulan entre sí.
Cuando dos cuerpos interaccionan, las fuerzas que ejercen el uno sobre el otro tienen idéntico módulo y dirección, pero sentidos opuestos.
Fuerzas Específicas
Peso
El peso es la fuerza de atracción gravitatoria que actúa sobre un cuerpo. Al ser una fuerza, se expresa en newton (N). Si la masa del cuerpo es m, el módulo del peso es: P = m·g.
Fuerza de Rozamiento
La fuerza de rozamiento es una fuerza que aparece en la superficie de contacto entre dos cuerpos, siempre que uno de ellos se desplace o tienda a desplazarse sobre el otro: Frozamiento = μ·N.
Leyes de Kepler y Gravitación Universal
Fuerza Centrípeta
La fuerza centrípeta se calcula como: Fc = m·ac = m·v²/r.
Leyes de Kepler
Primera Ley de Kepler
Los planetas se mueven alrededor del Sol siguiendo órbitas elípticas, en uno de cuyos focos se encuentra el Sol. (La posición en la que el planeta se encuentra más cerca del Sol se llama perielio y la que está más lejos del Sol se llama afelio).
Segunda Ley de Kepler
El radio vector que une el Sol con el planeta barre áreas iguales en tiempos iguales. (Esta ley implica que el módulo de la velocidad no es constante en todo su recorrido, sino que es mayor en el perielio que en el afelio. Esta ley también implica la existencia de una fuerza que se dirige desde el planeta hacia el Sol).
Tercera Ley de Kepler
Para todos los cuerpos que giran alrededor del Sol, la relación entre el cubo del radio medio y el cuadrado del periodo orbital es constante.
Ley de Gravitación Universal
Todos los cuerpos 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 los separa: F = G·(m·m')/r².
Ley de Coulomb (Fuerza Eléctrica)
El módulo, F, de las fuerzas con que se atraen o repelen dos cargas puntuales, Q1 y Q2, separadas por una distancia r, es directamente proporcional al producto del valor absoluto de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa: (Donde k = 9·10⁹ N·m²/C²). F = k·Q·Q' / r².
Conceptos de Presión y Fluidos
Definición de Presión
Se define la presión como la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie: p = F/S.
Presión Hidrostática
La presión hidrostática a cierta profundidad, h, bajo la superficie libre de un líquido en reposo es igual al producto de la densidad del líquido por la aceleración de la gravedad y por la profundidad del punto considerado: p = ρ·g·h.
Diferencia de Presión en Fluidos
La diferencia de presión entre dos puntos de un fluido homogéneo en equilibrio es igual al producto de la densidad por la aceleración de la gravedad y por la diferencia de profundidad entre dichos puntos: pA - pB = ρ·g·(hA - hB).