Fundamentos Esenciales de Física: Movimiento, Fuerzas y Leyes de Newton

Conceptos Fundamentales de Cinemática

La cinemática es la rama de la física que estudia el movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo producen. Sus conceptos clave incluyen: aceleración, desplazamiento y velocidad.

Movimiento Rectilíneo Uniforme (M.R.U.)

• Movimiento en línea recta.
• Velocidad constante.
• Aceleración es cero (a = 0).

Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado (M.R.U.A.)

• Movimiento en línea recta.
• Velocidad cambia uniformemente.
• Aceleración constante.

Distancia

Longitud total recorrida por un objeto, sin importar la dirección. Es una magnitud escalar.

Desplazamiento

Diferencia entre la posición inicial y la posición final de un objeto. Es una magnitud vectorial.

Trayectoria

Describe el camino que sigue un objeto en movimiento a lo largo del tiempo. Es una magnitud vectorial.

Recorrido

Similar a la distancia, se refiere a la longitud del camino trazado por un objeto. Es una magnitud escalar.

Posición

Localización de un objeto respecto a un sistema de referencia. Es una magnitud vectorial.

Velocidad

Magnitud vectorial que relaciona el desplazamiento con el tiempo transcurrido. Indica tanto la rapidez como la dirección del movimiento.

Rapidez

Magnitud escalar que relaciona la distancia recorrida con el tiempo transcurrido. Es el módulo de la velocidad.

Magnitudes Físicas y Sistemas de Referencia

Magnitud Física

Cualquier propiedad de un fenómeno físico que puede ser medida cuantitativamente.

Magnitudes Escalares

Magnitudes que se definen completamente con un valor numérico y una unidad. Ejemplos: masa, distancia, área, tiempo.

Magnitudes Vectoriales (Vectores)

Magnitud que posee:

• Módulo (o magnitud): El valor numérico.
• Dirección: La línea a lo largo de la cual actúa el vector.
• Sentido: La orientación específica a lo largo de la dirección.

Sistema de Referencia

Punto o conjunto de coordenadas desde donde se miden las posiciones y movimientos de los objetos.

Dinámica: Las Leyes del Movimiento y las Fuerzas

Tipos de Fuerzas Comunes

• Fuerza Normal: Fuerza que ejerce una superficie sobre un objeto en contacto con ella, perpendicular a la superficie.
• Fuerza de Fricción (o Roce): Fuerza que se opone al movimiento relativo entre dos superficies en contacto.
• Fuerza de Tensión: Fuerza transmitida a través de una cuerda, cable o similar cuando está estirada.
• Fuerza Elástica: Fuerza restauradora ejercida por un material elástico (como un resorte) cuando es deformado, tendiendo a devolverlo a su forma original.
• Fuerza Neta: Suma vectorial de todas las fuerzas individuales que actúan sobre un objeto.

Leyes de Newton del Movimiento

Primera Ley de Newton (Ley de la Inercia)

Un objeto en reposo permanece en reposo, y un objeto en movimiento continúa en movimiento con velocidad constante, a menos que una fuerza externa neta actúe sobre él.

Segunda Ley de Newton (Ley Fundamental de la Dinámica)

La aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa (F = ma). La aceleración tiene la misma dirección que la fuerza neta.

Tercera Ley de Newton (Ley de Acción y Reacción)

Por cada acción, existe una reacción igual y opuesta. Siempre que un objeto ejerce una fuerza sobre un segundo objeto, el segundo objeto ejerce una fuerza de igual magnitud y naturaleza pero de dirección opuesta sobre el primero.

Conceptos Adicionales en Dinámica

Masa

Propiedad intrínseca de la materia que mide la inercia de un objeto. Es constante en todo el universo, se mide en kilogramos (kg) y se determina con una balanza.

Fuerzas de Acción y Reacción

Características de las fuerzas de acción y reacción:

• Son de igual magnitud.
• Actúan en direcciones opuestas.
• Siempre actúan sobre cuerpos distintos.

Un ejemplo clásico es la fuerza con la que el gas sale despedido de un cohete y la fuerza que impulsa al cohete.

Efecto de Duplicar la Fuerza en un Cuerpo

Según la Segunda Ley de Newton (F=ma), si se duplica la fuerza neta aplicada a un cuerpo de masa constante, su aceleración se duplica.

Comportamiento de un Resorte

Según la Ley de Hooke, si se duplica la fuerza aplicada a un resorte (dentro de su límite elástico), la deformación del resorte se duplica.

Inercia en el Transporte

El fenómeno de que los pasajeros de un autobús se inclinen al frenar o acelerar se explica por la inercia, la tendencia de los cuerpos a mantener su estado de movimiento.

Fuerza de Roce (Fricción)

La fuerza de roce cinético (o de deslizamiento) es relativamente constante una vez que el objeto está en movimiento, y su magnitud principal depende de la fuerza normal y el coeficiente de fricción, no de la fuerza aplicada para mover el objeto.