Fundamentos de la Dinámica y Electromagnetismo: Leyes Clave de la Física

Dinámica: El Estudio de las Causas del Movimiento

La Dinámica es la rama de la física que se dedica al estudio de la causa del movimiento, es decir, la fuerza. Esta tiene diversos efectos sobre los cuerpos:

• Provocar deformaciones.
• Poner en movimiento un cuerpo que se encuentra en reposo.
• Cambiar la velocidad de un cuerpo que ya está en movimiento.

Deformaciones y la Ley de Hooke

En relación con las deformaciones, los cuerpos se clasifican en:

• Elásticos: Aquellos que recuperan su forma original tras la deformación.
• Plásticos: Aquellos que mantienen la deformación una vez aplicada la fuerza.
• Rígidos: Aquellos que no se deforman significativamente bajo la acción de fuerzas.

La Ley de Hooke describe el comportamiento de los cuerpos elásticos, relacionando la fuerza aplicada con el alargamiento (ΔL) o compresión que experimentan. Su fórmula es:

F = K · ΔL

Donde:

• F es la fuerza aplicada (en Newtons, N).
• K es la constante elástica del material (en N/m).
• ΔL es el alargamiento o deformación (en metros, m).

La Fuerza Resultante y sus Componentes

La Fuerza Resultante, que es la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo, se caracteriza por:

• Dirección: Puede ser horizontal, vertical o diagonal.
• Sentido: Indica hacia dónde apunta la fuerza (ej. derecha, izquierda, hacia arriba, hacia abajo).
• Módulo: Es el valor numérico de la fuerza. Si la fuerza resultante es diagonal, su módulo se calcula utilizando el Teorema de Pitágoras.

Cambios de Velocidad y Fuerza Centrípeta

Para que un cuerpo en reposo comience a moverse, o para que un cuerpo en movimiento aumente o disminuya su velocidad, es indispensable la acción de una fuerza. Además, si la trayectoria de un cuerpo no es recta (es decir, es curvilínea), siempre existe una fuerza centrípeta que apunta hacia el centro de la trayectoria, siendo la responsable de mantener el movimiento circular o curvo.

Leyes de Newton: Pilares de la Dinámica Clásica

Las Leyes de Newton son tres principios fundamentales que describen el movimiento de los objetos y las fuerzas que actúan sobre ellos.

1ª Ley de Newton: Principio de Inercia

Si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza neta, el cuerpo puede estar en reposo o en movimiento rectilíneo y uniforme. La fuerza de inercia es aquella que se opone al cambio de velocidad de un cuerpo. Un ejemplo claro es cuando un coche arranca bruscamente y los ocupantes sienten que sus cuerpos se desplazan hacia atrás debido a su inercia.

2ª Ley de Newton: Principio Fundamental de la Dinámica

Si sobre un cuerpo actúa una fuerza neta que no se anula, el cuerpo adquiere una aceleración directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a su masa. Su fórmula es:

F = m · a

Donde:

• F es la fuerza neta (en N).
• m es la masa del cuerpo (en kg).
• a es la aceleración adquirida (en m/s²).

3ª Ley de Newton: Principio de Acción y Reacción

Si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro (acción), el segundo cuerpo ejerce una fuerza de igual magnitud y dirección, pero en sentido opuesto, sobre el primero (reacción).

Interpretación Gráfica de la Pendiente

En el análisis de gráficos, la pendiente se calcula como la razón entre la variación en el eje vertical (altura) y la variación en el eje horizontal (base). Por ejemplo, en un gráfico de Fuerza (N) en el eje Y versus Aceleración (m/s²) en el eje X, la pendiente representa la masa (kg) del objeto, según la 2ª Ley de Newton (m = F/a).

Interacciones Fundamentales: Gravitación y Electrostática

Ley de Gravitación Universal

La Ley de Gravitación Universal establece que dos cuerpos se atraen con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa sus centros. Su fórmula es:

F = G · (M · m) / r²

Donde:

• F es la fuerza gravitatoria.
• G es la constante de gravitación universal.
• M y m son las masas de los cuerpos (en kg).
• r es la distancia entre los centros de los cuerpos (en m).

Ley de Coulomb

La Ley de Coulomb describe la fuerza de interacción entre dos cargas eléctricas. Esta fuerza puede ser de atracción o repulsión y es directamente proporcional al producto de las magnitudes de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Su fórmula es:

F = K · (Q · q) / r²

Donde:

• F es la fuerza electrostática.
• K es la constante de Coulomb (depende del medio).
• Q y q son las magnitudes de las cargas eléctricas.
• r es la distancia entre las cargas.

Comparativa entre la Ley de Gravitación y la Ley de Coulomb

Aunque ambas leyes describen fuerzas que disminuyen con el cuadrado de la distancia, presentan diferencias clave:

• Naturaleza de la fuerza: La fuerza gravitatoria es siempre atractiva, mientras que la fuerza electrostática puede ser atractiva o repulsiva (dependiendo del signo de las cargas).
• Propiedades intervinientes: En la gravitación intervienen las masas de los cuerpos, y en la electrostática, las cargas eléctricas.
• Constantes: En la fuerza gravitatoria, la constante es G (constante de gravitación universal). En la fuerza electrostática, la constante es K (constante de Coulomb), la cual no es universal, ya que depende del medio en el que se encuentren las cargas.
• Similitud fundamental: Ambas fuerzas son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que separa los cuerpos o cargas.

Electromagnetismo: Campos Magnéticos y Corrientes Eléctricas

Fuerza Magnética y Polos de un Imán

La Fuerza Magnética es la interacción que se manifiesta cuando un imán atrae objetos ferromagnéticos a su alrededor, debido al campo magnético que ejerce. Todo imán posee dos polos: el Polo Norte y el Polo Sur.

Descubrimientos Clave en Electromagnetismo

• Hans Christian Ørsted: Fue el primer científico en observar que una corriente eléctrica genera un campo magnético a su alrededor. Un ejemplo de esto es la desviación de la aguja de una brújula al acercarla a un conductor por el que circula corriente.
• Michael Faraday: Demostró la posibilidad de generar corrientes eléctricas a partir de imanes, un fenómeno conocido como inducción electromagnética.

El Campo Magnético Terrestre

La Tierra también posee un campo magnético propio, que se cree es generado por el movimiento de materiales conductores en su núcleo externo. Curiosamente, el polo sur magnético de la Tierra se encuentra cerca del polo norte geográfico, y viceversa, lo que permite que las brújulas apunten hacia el norte geográfico.