Fundamentos de la Fuerza y el Movimiento: Conceptos Clave

Fundamentos de la Fuerza y el Movimiento

La Fuerza: Definición y Efectos

La fuerza es toda causa capaz de producir una deformación o un cambio en el estado de movimiento de un cuerpo. Su unidad de medida es el Newton (N).

• Efectos de la Fuerza:
  • Deformación
  • Cambio de movimiento

Tipos de Fuerzas

Las fuerzas pueden clasificarse según su efecto en la deformación:

• Fuerzas Rígidas: Aquellas que no producen una deformación aparente en el cuerpo.
• Fuerzas Elásticas: Provocan una deformación que el cuerpo recupera al cesar la fuerza.
• Fuerzas Plásticas: Generan una deformación permanente en el cuerpo.

Elasticidad y la Ley de Hooke

La elasticidad es una propiedad intrínseca de la materia, presente en todos los cuerpos en mayor o menor medida. El límite de elasticidad marca la fuerza máxima a partir de la cual un cuerpo deja de comportarse elásticamente.

La Ley de Hooke establece que la fuerza aplicada a un cuerpo elástico es directamente proporcional a la deformación que experimenta.

Medición de Fuerzas

La forma más habitual de medir fuerzas se basa en la aplicación de la Ley de Hooke mediante muelles.

• Aparatos de Medición: El dinamómetro es el instrumento utilizado para medir fuerzas. Consiste en un muelle alojado en una carcasa graduada, con un gancho en el extremo para sujetar las masas o aplicar la fuerza.

Magnitudes Físicas

Una magnitud es toda propiedad que puede ser medida.

• Magnitudes Escalares: Quedan perfectamente definidas por su valor métrico (un número y su unidad).
• Magnitudes Vectoriales: Requieren, además de su valor métrico, la indicación de la dirección y el sentido en el que se aplican. Se representan mediante vectores.
  • Módulo: La longitud del segmento que representa al vector, equivalente al valor numérico de la magnitud.
  • Dirección: La recta sobre la cual actúa el vector.
  • Sentido: La orientación en la que se recorre la dirección (indicado por una flecha, positivo o negativo).

Operaciones con Vectores (Fuerzas)

• Suma de Fuerzas con Igual Dirección y Sentido: El módulo de la resultante es la suma de los módulos de las fuerzas (F_R = F₁ + F₂). La dirección y el sentido son los mismos que los de las fuerzas componentes.
• Suma de Fuerzas con Igual Dirección y Sentido Opuesto: El módulo de la resultante es la diferencia de los módulos de las fuerzas (F_R = |F₁ - F₂|). La dirección es la misma, y el sentido es el de la fuerza de mayor módulo.
• Suma de Fuerzas Perpendiculares: La resultante es la diagonal del paralelogramo formado por los vectores. Su módulo se calcula con el teorema de Pitágoras: R = √F₁² + F₂².

Descomposición de Vectores

La descomposición de un vector consiste en obtener dos o más vectores cuyas suma vectorial sea igual al vector original. Para descomponer un vector, se utilizan los ejes cartesianos: F = √F_x² + F_y², donde F_x y F_y son las componentes del vector en los ejes x e y, respectivamente.

El Movimiento

El movimiento se define como el cambio de posición que experimenta un cuerpo a lo largo del tiempo.

• Condición para el Movimiento: Se requiere un sistema de referencia, un punto fijo respecto al cual medimos el cambio de posición.
• Relatividad del Movimiento: El movimiento es relativo y depende del sistema de referencia adoptado.
• Posición: Es el lugar que ocupa un cuerpo en el espacio con respecto a un cuerpo de referencia.
• Trayectoria: Es el lugar geométrico de las posiciones que ocupa un móvil en el tiempo. Se puede describir mediante coordenadas (x, y).
• Tipos de Trayectorias:
  • Rectilínea
  • Circular
  • Elíptica
  • Parabólica
  • Hiperbólica
• Espacio Recorrido: Es la distancia total cubierta por el móvil a lo largo de su trayectoria. Es importante diferenciarlo de la posición.

Velocidad y Aceleración

• Velocidad: Mide la rapidez con la que un móvil cambia de posición.
  • Velocidad Media: Calculada en un intervalo de tiempo.
  • Velocidad Instantánea: La velocidad en un instante específico. Es una magnitud vectorial cuyo módulo indica el valor numérico, el sentido indica la dirección del movimiento y la dirección indica la recta de la trayectoria.
• Aceleración: Es una magnitud vectorial que mide la rapidez con la que cambia la velocidad.
  • Aceleración Media: Calculada en un intervalo de tiempo.
  • Aceleración Instantánea: La aceleración en un momento determinado.