Cinemática

La cinemática estudia las leyes del movimiento de los cuerpos sin tener en cuenta las causas que lo producen, limitándose al estudio de la trayectoria en función del tiempo. Por posición se entiende el lugar en el que el cuerpo se encuentra, luego recorre un espacio a una velocidad y aceleración determinada.

Conceptos básicos en cinemática:

• Posición: Sirve para determinar en cada instante, el punto sobre la trayectoria donde se encuentra el móvil. Se puede definir mediante el vector posición.
• Espacio recorrido: Es la distancia recorrida medida sobre la trayectoria. Si un móvil parte de una posición inicial y llega hasta un final sin cambiar de sentido, el espacio recorrido coincide con el valor absoluto del desplazamiento.
• Velocidad: Expresa el desplazamiento de un cuerpo por unidad de tiempo. Se mide en m/s.
• Aceleración: Magnitud vectorial que nos indica el cambio de velocidad por unidad de tiempo. Se mide en m/s².

Vectores en cinemática

Un vector es una herramienta geométrica utilizada para representar una magnitud física definida por un módulo y una dirección. Se puede representar geométricamente como segmentos de recta dirigidos o flechas en el plano R² o en el espacio R³.

Ejemplos de magnitudes vectoriales en cinemática:

• La velocidad con la que se desplaza un móvil es una magnitud vectorial, ya que no queda definida tan solo por su módulo, sino que se requiere indicar la dirección hacia la que se dirige.
• La fuerza que actúa sobre un objeto es una magnitud vectorial, ya que su efecto depende, además de su intensidad o módulo, de la dirección en la que opera.
• El desplazamiento es el vector que define la posición de un punto.

Tipos de movimiento

• MRU (Movimiento Rectilíneo Uniforme): Un móvil posee un MRU cuando se desplaza con rapidez constante sobre una trayectoria recta. Su a = 0 y su v = cte. En este caso la velocidad media coincide siempre con la instantánea, y se puede describir la ecuación vectorial => r = r_o + v(t-t_o)
• MRUA (Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado): Un móvil posee MRUA cuando se desplaza con aceleración constante, por tanto la velocidad media coincide con la instantánea. Aceleración constante pero desigual a 0.
• MRUR (Movimiento Rectilíneo Uniformemente Retardado): La velocidad disminuye con el tiempo a ritmo constante, dotados de una aceleración que aunque es negativa es constante.

Velocidad media e instantánea

• Velocidad media: La velocidad media escalar de un móvil es el cociente entre el espacio recorrido sobre la trayectoria y el tiempo empleado en ello.
• Velocidad instantánea: Permite conocer la velocidad de un móvil que se desplaza sobre una trayectoria cuando el intervalo de tiempo es infinitamente pequeño, siendo entonces el espacio recorrido también pequeño. Siempre se mide tangente a la trayectoria.

Aceleración media

La aceleración media de un móvil en un intervalo de tiempo es la variación de su velocidad en ese tiempo.

Movimiento Circular Uniforme (MCU)

• El MCU se caracteriza por tener una velocidad angular constante, por lo que la aceleración angular es nula.
• Periodo: Es el tiempo que tarda un móvil en dar una vuelta completa. Se mide en s.
• Frecuencia: Es el número de vueltas por segundo que da un móvil. Se mide en Hz.
• Velocidad angular: Se define como el ángulo girado por una unidad de tiempo. Su unidad es el radián por segundo.
• La velocidad relativa entre 2 cuerpos es el valor de la velocidad de un cuerpo medido por el otro.

Dinámica

La dinámica es la parte de la física que describe la evolución en el tiempo de un sistema físico en relación con las causas que provocan los cambios de estado físico y/o estado de movimiento. El objetivo de la dinámica es describir los factores capaces de producir alteraciones de un sistema físico, cuantificarlos y plantear ecuaciones de movimiento o ecuaciones de evolución para dicho sistema de operación. El estudio de la dinámica es prominente en los sistemas mecánicos (clásicos, relativistas o cuánticos), pero también en la termodinámica y electrodinámica. En este artículo se describen los aspectos principales de la dinámica en sistemas mecánicos, y se reserva para otros artículos el estudio de la dinámica en sistemas no mecánicos.

Masa

La masa es una magnitud física que mide la cantidad de materia contenida en un cuerpo.

• El kilogramo (kg) es la unidad básica de masa del Sistema Internacional de Unidades y su patrón se define como la masa que tiene el prototipo internacional compuesto de una aleación de platino e iridio.
• UTM es la unidad de masa del sistema técnico de unidades y representa la masa de un cuerpo que adquiere la aceleración de 1 m/s² cuando se le somete a la acción de una fuerza de un kgf.

Fuerza

La fuerza es una magnitud física que mide la intensidad del intercambio de momento lineal entre dos partículas o sistemas de partículas.

• Newton (N): Es la unidad de fuerza en el Sistema Internacional de Unidades, se define como la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración de 1 m/s² a un objeto de 1 kg de masa.

• Kilogramo-fuerza (kgf): Unidad de fuerza en el sistema técnico de unidades, es la fuerza ejercida sobre una masa de 1 kg por la gravedad de la Tierra.
• Dina: Es la unidad de fuerza del sistema CGS. Equivale a 10^-5 Newton, o lo que es lo mismo, la fuerza que aplicada a una masa de un gramo, le comunica una aceleración de un cm/s². Se usan para medir tensiones superficiales.

Leyes de Newton

Primera Ley de Newton (Ley de la Inercia)

Rebate la idea aristotélica de que un cuerpo solo puede mantenerse en movimiento si se le aplica una fuerza. Newton expone que todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él.

Un cuerpo no puede cambiar por sí solo su estado inicial, ya sea en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, a menos que se le aplique una fuerza o una serie de fuerzas de roce o fricción.

Segunda Ley de Newton (Ley Fundamental de la Dinámica)

Dice que el cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime.

Si sobre un cuerpo en movimiento actúa una fuerza neta, la fuerza modificará el estado de movimiento, cambiando la velocidad en módulo o dirección.

Tercera Ley de Newton (Ley de Acción y Reacción)

Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto. Expone que por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, este realiza una fuerza de igual intensidad, pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma, las fuerzas situadas sobre la misma recta, siempre se presentan en pares de igual magnitud y dirección, pero con sentido opuesto.

Diagrama de cuerpo libre

Es una representación gráfica utilizada a menudo por físicos e ingenieros para analizar las fuerzas que actúan sobre un cuerpo libre. Es un elemental caso particular de un diagrama de fuerzas. Son una herramienta para descubrir las fuerzas desconocidas que aparecen en las ecuaciones del movimiento del cuerpo.

Fuerza de rozamiento

Es una fuerza que aparece cuando hay dos cuerpos en contacto y es una fuerza muy importante cuando se estudia el movimiento de los cuerpos.

Existe rozamiento incluso cuando no hay movimiento relativo entre los dos cuerpos que están en contacto. Hablamos entonces de fuerza de rozamiento estática. Por ejemplo, si queremos empujar un armario muy grande y hacemos una fuerza pequeña, el armario no se moverá. Esto es debido a la fuerza de rozamiento estática que se opone al movimiento. Si aumentamos la fuerza con la que empujamos, llegará un momento en que superemos esta fuerza de rozamiento y será entonces cuando el armario se pueda mover. Una vez que el cuerpo empieza a moverse, hablamos de fuerza de rozamiento dinámica. Esta fuerza de rozamiento dinámica es menor que la fuerza de rozamiento estática.

El coeficiente de rozamiento depende exclusivamente de la naturaleza de los cuerpos en contacto, así como del estado en que se encuentren sus superficies.

Centro de gravedad

El centro de gravedad es el punto de aplicación de la resultante de todas las fuerzas de gravedad que actúan sobre las distintas porciones materiales de un cuerpo, de tal forma que el momento respecto a cualquier punto de esta resultante aplicada en el centro de gravedad es el mismo que el producido por los pesos de todas las masas materiales que constituyen dicho cuerpo.

Trabajo y Energía

Trabajo

El trabajo que realiza una fuerza sobre un cuerpo equivale a la energía necesaria para desplazar este cuerpo. Es una magnitud física, se representa con la letra W y se mide en Joules (J).

El trabajo es positivo si la dirección y sentido de la fuerza coinciden con los del desplazamiento, es nulo si la dirección de desplazamiento y de la fuerza son perpendiculares y es negativo si el desplazamiento y la fuerza tienen sentido contrario.

Energía cinética

La energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada. Ec = 1/2mv²

Energía potencial

La energía potencial es la que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función exclusivamente de su posición o configuración. Ep = mgh

Principio de conservación de la energía

El principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de unas formas en otras.

Potencia

La potencia es la cantidad de trabajo que se efectúa por unidad de tiempo. Esto equivale a la velocidad de cambio de energía en un sistema o al tiempo que se emplea para realizar un trabajo. La potencia es igual a la energía total dividida por el tiempo.

1 HP = 1,0138 CV = 745,69987 W

Rendimiento

Cuando se produce un proceso de transformación de energía, la cantidad lograda de la misma es menor a la cantidad inicial, absorbida por la maquinaria.

Momento de una fuerza

Se denomina momento de una fuerza a una magnitud pseudovectorial, obtenida como producto vectorial del vector de posición del punto de aplicación de la fuerza con respecto al punto al cual se toma el momento por la fuerza en ese orden.

Mecanismos

Se llama mecanismo a la máquina simple que a través de sólidos resistentes, elementos elásticos, etc., móviles unos respecto de otros, unidos entre sí mediante diferentes tipos de uniones, llamadas pares cinemáticos, cuyos propósito es la transmisión de la energía mecánica.

• Los mecanismos de transmisión son aquellos en los que el elemento motriz y el elemento conducido tienen el mismo tipo de movimiento.
• Los mecanismos de transformación son aquellos en los que el elemento motriz y el conducido tienen distinto tipo de movimiento.
• La relación de transmisión es un parámetro característico de un sistema de transmisión que se define como la relación entre la velocidad de salida y la de entrada.

• Se denomina mecanismo multiplicador a aquel que transforma la velocidad recibida de un elemento motor en otra velocidad mayor.
• Se denomina mecanismo reductor a aquel que transforma la velocidad de entrada en una velocidad de salida menor.