Fundamentos de Física Clásica: Cinemática, Dinámica y Máquinas Simples

1. Astronomía y Gravitación Universal

• Solsticio (equinoccio): Posición de la Tierra en la que los rayos del Sol inciden perpendicularmente a la recta tangente de los trópicos (o del ecuador en el caso del equinoccio).
• Principio de gravitación universal: «Todos los objetos se atraen unos a otros con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa sus centros.»
• Leyes de Kepler:
  • Ley de las órbitas (1.ª ley): Los planetas describen órbitas elípticas alrededor del Sol, estando el Sol en uno de los focos de la elipse.
  • Ley de las áreas (2.ª ley): El radio vector que une a un planeta con el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales.
  • Ley de los periodos (3.ª ley): El cuadrado del periodo de traslación de un planeta en torno al Sol es directamente proporcional al cubo del semieje mayor de la elipse que describe (P² = k · d³).

2. Cinemática y Caída Libre

• Caída libre: Es el movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA) que adquiere un cuerpo bajo la acción exclusiva de la fuerza de la gravedad, despreciando la resistencia del aire.
• Rozamiento: Toda fuerza que se opone al movimiento. Depende de la geometría del objeto, de la densidad del aire y de la velocidad; no de su masa.
• Primera ley de la caída: Todos los cuerpos, independientemente de su peso, forma o tamaño, caen en el vacío en un mismo espacio de tiempo y, por tanto, con la misma velocidad (demostrado por Newton mediante el tubo de vacío con la moneda y la pluma).
• Segunda ley de la caída: El movimiento de caída libre de un cuerpo es rectilíneo y uniformemente acelerado, respondiendo a las ecuaciones características de este movimiento.
• Componentes intrínsecas de la aceleración:
  • Aceleración tangencial (a_t): Mide la variación del módulo del vector velocidad.
  • Aceleración normal o centrípeta (a_n): Mide la variación de la dirección del vector velocidad (a_n = v² / r).
• Clasificación de los movimientos:
  • Movimiento rectilíneo uniforme (MRU): a_n = 0 y a_t = 0 → v = cte.
  • Movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV): a_n = 0 y a_t = cte → v ≠ cte (tipos: acelerado y retardado).
  • Movimiento circular uniforme (MCU): a_n ≠ 0, radio constante (r = cte) y a_t = 0 → módulo de v = cte.
  • Movimiento circular uniformemente variado (MCUV): a_t = cte.

3. Dinámica y Leyes de Newton

• Primera ley de Newton (Ley de la inercia): En ausencia de fuerzas exteriores, toda partícula continúa en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo y uniforme respecto de un sistema de referencia inercial o galileano.
• Inercia: Tendencia natural de los cuerpos a conservar su cantidad de movimiento; es decir, tendencia a permanecer en reposo o con velocidad constante (MRU).
• Segunda ley de Newton (Ley fundamental de la dinámica): La variación del momento lineal de un cuerpo es proporcional a la resultante total de las fuerzas que actúan sobre dicho cuerpo y se produce en la dirección en que actúan las fuerzas (F = dp/dt). Por consiguiente, la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional al producto de su masa por su aceleración (F = m · a).
• Tercera ley de Newton (Principio de acción y reacción): Por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, este ejerce una fuerza de igual magnitud y dirección, pero en sentido opuesto, sobre el cuerpo que la produjo.
• Impulso mecánico: Magnitud física vectorial que se obtiene multiplicando la fuerza aplicada sobre un cuerpo por el intervalo de tiempo durante el cual actúa (I = F · t).
• Teorema del impulso mecánico: El impulso aplicado a un cuerpo produce en él una variación equivalente de su cantidad de movimiento (Δp).

4. Estática y Máquinas Simples

• Conceptos fundamentales de equilibrio:
  • Condición de equilibrio de traslación: ∑ F_i = 0.
  • Condición de equilibrio de rotación: ∑ M_i = 0 → M_p + M_r = 0. El momento de la potencia o de la resistencia (M_p, M_r) equivale al valor de la potencia (o resistencia) multiplicado por su distancia mínima perpendicular (brazo).
  • Potencia (P): Fuerza que se debe aplicar para vencer la resistencia.
  • Resistencia (R): Peso de la carga que se desea desplazar o fuerza resistente a vencer.
  • Tensión (T): Fuerza de reacción originada en el punto de anclaje para sostener la cuerda o soporte (T = P).
  • Máquina ideal: Aquella en la que no hay pérdidas energéticas; trabajo motriz igual al trabajo resistente (T_p = T_r).
  • Máquina real: Presenta rozamientos o pérdidas; el trabajo motriz compensa la resistencia y las pérdidas asociadas (T_p = T_r + T_forzado).
• Palanca: Máquina simple formada por una barra rígida que puede girar libremente en torno a un punto de apoyo o fulcro; sirve para transmitir y multiplicar fuerzas.
  • Primer género: El punto de apoyo se encuentra situado entre la potencia y la resistencia.
  • Segundo género: La resistencia se ubica entre el punto de apoyo y la potencia.
  • Tercer género: La potencia se ubica entre el punto de apoyo y la resistencia.
• Polea fija: Cuelga de un punto de apoyo fijo; una cuerda transmite la fuerza ejercida (potencia, P). En equilibrio de traslación: ∑ F_i = 0 → P - R = 0 → P = R.
• Polipasto (combinación potencial): Dispositivo empleado para elevar o desplazar cargas pesadas con gran ventaja mecánica, requiriendo una potencia significativamente inferior a la resistencia. Consta de dos o más poleas (∑ F_i = 0 → P = R / 2n).
• Combinación exponencial de poleas: Sistema configurado con 4 poleas (1 fija y 3 móviles), donde ∑ F_i = 0 → P = R / 2ⁿ.
• Plano inclinado: Superficie plana que forma con la horizontal un ángulo agudo (P = R / l).
• Tornillo: Plano inclinado enrollado en forma de espiral sobre la superficie de un cilindro (T_p = T_r → P · p = R · r → P · 2πd = R · r).
• Cuña: Dispositivo constituido por la unión de dos planos inclinados por sus bases (T_p = T_r → P · p = R · r).
• Torno: Máquina simple rotatoria compuesta por un cilindro y una manivela, diseñada para elevar cargas suspendidas con facilidad. Por equilibrio de rotación: ∑ M_i = 0 → M_p + M_r = 0, donde M_p = +P · L y M_r = -R · r → P · L - R · r = 0.