Fundamentos de Física: Fuerza, Leyes de Newton y Cinemática Esencial
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Conceptos Fundamentales de la Fuerza
La fuerza es una magnitud vectorial que se caracteriza por:
- Intensidad (Módulo): Valor numérico de la fuerza, expresado en Newtons (N).
- Dirección: Viene dada por la recta que soporta al vector.
- Sentido: Indicado por la punta de la flecha.
- Punto de aplicación: Lugar del cuerpo donde se aplica la fuerza.
Fuerza Resultante
La fuerza resultante es aquella que puede reemplazar a todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo, produciendo el mismo efecto.
Composición de Fuerzas
La composición de fuerzas es la operación que consiste en determinar la fuerza resultante de la acción de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo. Se distinguen varios casos:
- Misma dirección y sentido: La fuerza resultante tiene la misma dirección y sentido que las fuerzas componentes, y su módulo es la suma de los módulos.
- Misma dirección y sentido contrario: La fuerza resultante tiene la misma dirección que las fuerzas componentes, y su sentido coincide con el de la fuerza de mayor módulo. Su módulo es la diferencia de los módulos.
Dinámica: Las Leyes de Newton
1. Primera Ley de Newton (Principio de Inercia)
Esta ley informa de lo que sucede cuando no actúan fuerzas sobre un cuerpo o cuando la resultante de las fuerzas que actúan sobre él es nula (fuerza neta cero). La inercia es la tendencia de un cuerpo a mantener su estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme.
2. Segunda Ley de Newton (Principio Fundamental de la Dinámica)
La relación fundamental es F = m · a (Fuerza = masa · aceleración).
- Si F = 0, entonces a = 0 (el cuerpo está en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme).
- Si F = constante, entonces a = constante (el cuerpo experimenta un movimiento uniformemente acelerado).
La aceleración de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza resultante ejercida sobre el mismo (misma dirección y sentido que dicha fuerza) e inversamente proporcional a la masa del cuerpo: a = F / m.
El Newton (N) es la unidad de fuerza en el Sistema Internacional, definida como la fuerza necesaria para comunicar a una masa de 1 kg una aceleración de 1 m/s².
3. Tercera Ley de Newton (Principio de Acción y Reacción)
Cuando dos cuerpos interactúan, las fuerzas que ejercen el uno sobre el otro tienen idéntico módulo y dirección, pero sentidos opuestos. Estas fuerzas siempre se presentan en parejas (acción-reacción).
Es importante destacar que las fuerzas de acción y reacción nunca se anulan entre sí, pues actúan sobre cuerpos diferentes.
Peso y Masa
Peso
El peso es la fuerza de atracción que ejerce la Tierra sobre los cuerpos. Se expresa en Newtons (N) y se calcula como: Peso = m · g (masa · gravedad).
Es una magnitud vectorial con las siguientes características:
- Módulo: Producto de la masa por el valor de la aceleración de la gravedad (g).
- Dirección: Vertical.
- Sentido: Hacia el centro de la Tierra.
- Punto de aplicación: Centro de gravedad del cuerpo.
Diferencias entre Masa y Peso
- Masa:
- Es una magnitud escalar.
- Se mide con una balanza.
- Es invariable (no cambia con la ubicación).
- Peso:
- Es una magnitud vectorial.
- Se mide con un dinamómetro.
- Es variable (depende de la gravedad del lugar).
Fuerza de Rozamiento (Fricción)
La fuerza de rozamiento es aquella fuerza opuesta al movimiento que se manifiesta en la superficie de contacto de dos cuerpos, siempre que uno de ellos se mueva o tienda a moverse sobre el otro.
Características Vectoriales de la Fuerza de Rozamiento
- Dirección: Paralela a las superficies en contacto.
- Sentido: Contrario a la velocidad o a la tendencia del movimiento.
- Punto de aplicación: Centro de gravedad del cuerpo.
- Módulo: Se calcula como Froz = μ · N (coeficiente de rozamiento · fuerza normal).
Cálculo y Propiedades de la Fuerza de Rozamiento
La fuerza de rozamiento presenta las siguientes propiedades:
- Es independiente del área de las superficies en contacto (para superficies secas y limpias).
- Depende de la naturaleza de las superficies en contacto y del grado de pulido de las mismas (determinado por el coeficiente de rozamiento, μ).
- Es proporcional a la fuerza normal (N) que presiona las superficies entre sí.
Conceptos Fundamentales del Movimiento (Cinemática)
Trayectoria
La trayectoria es la línea imaginaria que describe un cuerpo al desplazarse.
Desplazamiento
El desplazamiento es la diferencia de posición que ocupa un cuerpo entre dos instantes determinados.
Velocidad
La velocidad es el desplazamiento efectuado por un cuerpo en la unidad de tiempo.
Velocidad Instantánea
La velocidad instantánea es la velocidad de un cuerpo o móvil en un instante específico.
Aceleración
La aceleración es la variación de la velocidad en la unidad de tiempo.
Aceleración Instantánea
La aceleración instantánea es la aceleración de un móvil en un instante específico.