Fundamentos de Física: Ley de Hooke, Elasticidad y Energía

Ley de Hooke y Elasticidad

La ley de Hooke establece que, cuando estiramos o comprimimos un muelle o resorte, la fuerza F aplicada es directamente proporcional al cambio de longitud del muelle respecto de la posición de equilibrio.

La fuerza elástica o de recuperación es la fuerza que ejerce un muelle que no ha superado su límite de elasticidad y sufre una deformación temporal:

• Es igual a la fuerza que tira del muelle o lo comprime, pero de signo contrario.
• Es directamente proporcional al cambio de longitud del muelle respecto de la posición de equilibrio, siendo esta de igual dirección y módulo a la fuerza causante de la deformación, pero de sentido contrario.

Tipos de deformación

• Deformación elástica: Es la que desaparece por completo cuando la fuerza externa cesa. Un cuerpo o material elástico es aquel que, cuando desaparecen las fuerzas externas, recupera su forma o tamaño original.
• Deformación plástica: Es la que no se recupera al cesar la fuerza aplicada. Un cuerpo o material plástico es aquel que, al cesar estas fuerzas externas, no retorna a su estado inicial y presenta una deformación permanente.

Conceptos de estructuras y esfuerzos

• La deformación de los cuerpos está ligada a las fuerzas existentes entre los átomos o moléculas del material.
• Consideraremos los cuerpos como un continuo y solo tendremos en cuenta fuerzas exteriores y deformaciones.
• Los cuerpos o las estructuras se ven sometidos a fuerzas externas, tales como pesos de objetos sobre ellos o el propio peso de la estructura, que llamamos CARGAS.
• Las cargas que soportan las estructuras generan fuerzas internas que tienden a deformarlas o romperlas. A estas fuerzas deformantes se las llama ESFUERZOS.
• El esfuerzo es la resistencia interna de un objeto a una fuerza que actúa sobre él.

Módulo de Young y Palancas

El módulo de Young mide la rigidez o elasticidad en respuesta a esfuerzos normales:

• Primer tramo: Comportamiento perfectamente elástico.
• Segundo tramo: El material sigue un comportamiento elástico.
• Tercer tramo: Comportamiento plástico.

Tipos de palancas

• Palanca de primer género: El fulcro está entre la potencia y la resistencia. La potencia aplicada puede ser mucho menor que la resistencia a vencer (maximiza la potencia), aunque se sacrifica la velocidad transmitida y la distancia recorrida.
• Palanca de segundo género: La resistencia está entre la potencia y el fulcro. La potencia será siempre menor que la resistencia, aunque no logra mayor desplazamiento ni distancia recorrida.
• Palanca de tercer género: La potencia ejercida está entre el punto de apoyo y la resistencia. La fuerza aplicada es mayor que la resultante, pero se logra ampliar la velocidad transmitida o la distancia recorrida por el cuerpo.

Fases de carga y Energía

• Fase I (Región basal o “toe”): Fase de rectificación de las fibras (que no están inicialmente extendidas en su longitud máxima) al empezar a aplicar la carga.
• Fase II (Región lineal): Las fibras se extienden hasta alcanzar su elongación total. La relación entre esfuerzo y deformación es lineal (módulo de Young constante).
• Fase III (Región plástica): Ruptura progresiva de las fibras hasta llegar a la ruptura completa del ligamento.

Conceptos de energía

• Energía cinética: Es la energía que posee un cuerpo debido a su movimiento.
• Energía potencial: Todo cuerpo sometido a la acción de un campo gravitatorio posee una energía potencial gravitatoria que depende solo de la posición del cuerpo y que puede transformarse fácilmente en energía cinética.
• Energía mecánica: Permanece constante durante el movimiento. Si se deja caer un cuerpo, este adquiere velocidad y, con ello, energía cinética, al tiempo que va perdiendo altura y su energía potencial gravitatoria disminuye.

Electrostática

• La materia está compuesta por átomos, y estos por partículas cargadas: un núcleo rodeado de una nube de electrones.
• Normalmente, la materia es neutra (no electrizada): los átomos poseen la misma cantidad de partículas con carga negativa (electrones) que positiva (protones).
• La materia puede cargarse eléctricamente (ganar o perder carga) y generar un campo eléctrico.
• Los electrones están unidos débilmente al átomo, mientras que los protones están fuertemente ligados en el núcleo junto con los neutrones (sin carga).

Formas de electrización

• Por fricción: Se produce por frotamiento de dos cuerpos neutros.
• Por contacto: Se produce por una cesión del exceso de carga de un cuerpo cargado en contacto con otro neutro.
• Por inducción o influencia: Se produce a distancia, por aproximación de un cuerpo cargado a otro neutro.