Fundamentos de la Mecánica: Fuerzas, Masa e Inercia en el Movimiento

Aristóteles pensó que las fuerzas eran la causa directa del movimiento y que la velocidad de caída de los cuerpos era directamente proporcional a su peso; eran ideas erróneas. Galileo estableció el concepto de fuerza como causa de la modificación de los movimientos e introdujo la noción de inercia como tendencia natural de los objetos a permanecer en reposo o moviéndose indefinidamente, a no ser que actúe alguna fuerza. Isaac Newton sentó las bases de la mecánica; en sus Principia definió los conceptos fundamentales (masa, tiempo, fuerza…) de modo preciso y estableció las tres leyes que explican el movimiento de cualquier objeto del universo.

Masa Inercial

La masa inercial es una propiedad general de los cuerpos que representa su resistencia a alterar su estado de reposo o de movimiento. Consideramos los cuerpos como partículas puntuales, encontrándose su masa localizada en su centro de gravedad: de un objeto es el punto de aplicación de su peso en el que se encuentra concentrada toda su masa.

Fuerza

Fuerza (magnitud vectorial) es toda causa capaz de alterar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo, o de producir en él una deformación. Existen fuerzas de contacto o a distancia. Todas las fuerzas entre cuerpos se ejercen, en realidad, entre las partículas que lo forman (fuerzas microscópicas), de modo que dos objetos estrictamente nunca estarán en contacto. Las fuerzas siempre actúan por parejas e implican la existencia, al menos, de dos objetos: uno de ellos ejerce la fuerza que se aplica sobre el segundo y el otro, simultáneamente, ejerce una fuerza sobre el primero del mismo valor pero de sentido contrario.

Interacciones

• Nuclear fuerte: es la más intensa, atractiva y de alcance muy pequeño. Mantiene a los protones unidos en el núcleo a pesar de la repulsión electrostática.
• Electromagnética: es 100 veces menor que la nuclear fuerte, atractiva o repulsiva, y de largo alcance. Es responsable de la impenetrabilidad de los objetos y de la estructura de átomos y moléculas, así como de todas las reacciones químicas y procesos biológicos.
• Nuclear débil: es 10 a la 5 veces menor que la nuclear fuerte. Es responsable de la desintegración de algunos núcleos y de la producción de radiación calorífica de las estrellas.
• Gravitatoria: es 10 a la 39 veces menor que la nuclear fuerte. Se considera la más débil de todas. Es atractiva y de largo alcance, y responsable de la estructura del universo, de las mareas…

Composición y Descomposición de Fuerzas

Componer fuerzas es hallar una fuerza, llamada fuerza neta o resultante, Fneta, que produce el mismo efecto que todas las fuerzas (o componentes) que actúan simultáneamente sobre un cuerpo. El principio de superposición establece que los efectos de todas las fuerzas que se ejercen sobre un cuerpo se superponen, sin modificar el efecto que cada una de ellas produciría independientemente de las demás: Fneta = f1 + f2…

Descomponer una fuerza consiste en obtener dos fuerzas, llamadas componentes, cuyo efecto conjunto sobre un cuerpo es el mismo que el de la fuerza inicial. Las fuerzas concurrentes son aquellas cuyas líneas de acción pasan por el mismo punto.

Momento de una Fuerza

Momento de una fuerza es la magnitud vectorial responsable del giro de un cuerpo: M = Fd = Frsen. Un par de fuerzas es un conjunto de dos fuerzas paralelas de igual valor y de sentido contrario. El efecto conjunto de ambas es el de provocar el giro del cuerpo sobre el que actúan: M = FR = 2FR.

Un objeto está en equilibrio cuando se encuentra en reposo (estático: zf = 0, zm = 0) o en movimiento con v = cte (traslacional: zm = 0)… rotacional: zf = 0.