Aceleración como el Cambio de Velocidad

Cuando la velocidad cambia en el tiempo, su velocidad no es constante y se dice que el movimiento es acelerado. El signo de la aceleración depende del marco de referencia utilizado. La aceleración se define como el cambio de la velocidad en el tiempo. Si el movimiento es en línea recta, la magnitud de la aceleración coincide con el cambio en la rapidez por una unidad de tiempo y la podemos expresar como: magnitud de la aceleración = cambio en la rapidez / tiempo empleado, es decir: a = Vf – Vi / Tf – Ti. La aceleración tiene magnitud, tiempo y sentido. Cuando el movimiento es rectilíneo, el signo del vector aceleración, al igual que el de velocidad, cambia cuando el movimiento cambia de sentido. La mayoría de los movimientos son acelerados, es decir, aquellos en los que la velocidad cambia.

Fuerzas, Interacción entre Objetos

Poner en movimiento un objeto, cambiar su movimiento o alterar su forma se logra mediante una interacción con uno o más objetos. Para que un cuerpo que está en reposo comience a moverse, es necesario que tenga una interacción con otro objeto. La causa de que un cuerpo se mueva es la fuerza. Cuanto mayor sea la fuerza producto de una interacción, los objetos se moverán más rápidamente. Una fuerza aplicada sobre un objeto en movimiento puede frenarlo, acelerarlo en la misma dirección o cambiarlo, o puede mantener un objeto en reposo o deformarlo. Las interacciones pueden ser por contacto o a distancia. En las interacciones a distancia no es necesario que los objetos involucrados estén en contacto. La fuerza es una interacción entre objetos que origina un cambio de movimiento o en la forma de estos. El físico inglés Isaac Newton (1643-1727) relacionó el concepto de fuerza al cambio en el movimiento de los cuerpos cuando interactúan unos con otros. La unidad con la que se mide la fuerza es el newton, cuyo símbolo es N. Un newton es la fuerza que se aplica a un objeto de 1 kg de masa para que adquiera una aceleración de 1 m/s².

Representación de Fuerzas como Vectores

La fuerza es un vector, ya que tiene magnitud, dirección y sentido. La fuerza se representa mediante una flecha y el tamaño de la flecha es proporcional a la magnitud de la fuerza y su dirección y sentido coinciden con los de la fuerza original. La magnitud, en el caso del vector velocidad y del de aceleración, se puede expresar mediante un número. Cada interacción da lugar a una fuerza y el conjunto de fuerzas forma lo que se denomina sistema de fuerza.

Suma de Fuerzas

Para encontrar la suma de dos fuerzas que actúan simultáneamente y por separado sobre un objeto, dibujamos dos flechas que las representan una a continuación de la otra, colocando el inicio de una de ellas sobre la punta de la otra, considerando sus magnitudes, direcciones y sentidos. El tamaño de cada flecha representa a escala la magnitud de la fuerza que corresponde a la fuerza aplicada. La fuerza resultante Fr equivale a la suma de fuerzas que actúan sobre un objeto. Para encontrar la magnitud de la fuerza resultante, se mide la longitud de la última flecha y para encontrar la dirección, se utiliza un transportador. Este procedimiento se conoce como método de polígono y permite sumar dos o más vectores y se puede representar con un diagrama de fuerzas. Cuando en un objeto las fuerzas que actúan sobre él no son colineales, sino que apuntan a direcciones diferentes, el procedimiento para sumarlas es el mismo, una después de la otra.

Primera Ley de Newton

Se conoce como inercia al fenómeno en el cual un objeto sigue en movimiento (en línea recta y a velocidad constante) o en reposo si no hay una fuerza que modifique su estado. La palabra inercia se refiere a la resistencia de cualquier objeto a cambiar. Fue Galileo Galilei (1564-1642) quien supuso que si no hubiera fricción, un cuerpo que se moviera a velocidad constante seguiría así para siempre. En 1687, Newton publicó su obra Principios matemáticos de la filosofía natural. La primera ley enuncia: Todos los cuerpos permanecen en reposo o se mueven a velocidad constante a menos que se aplique fuerza sobre ellos.

Inercia y la Primera Ley de Newton

La masa es una propiedad fundamental de la materia. Su unidad es el kilogramo. Cuando más aumenta la masa del objeto, tanto más se incrementa su resistencia a cambiar su estado de movimiento. La masa es un escalar: depende de su volumen y de otras propiedades. El peso, en cambio, es una fuerza, un vector.

Segunda Ley de Newton

La aceleración es proporcional a la fuerza aplicada y la constante de proporcionalidad es justamente la masa de los objetos. La aceleración depende tanto de la masa del objeto como de la fuerza aplicada. La segunda ley enuncia: La aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza aplicada y es inversamente proporcional a su masa, y es válida para cualquier tipo de interacción. El cambio en la dirección del movimiento de un objeto depende de la dirección en la cual actúa la fuerza. Si esta está en el mismo sentido del movimiento, entonces la magnitud de su velocidad se incrementará. Si la fuerza es en sentido contrario al movimiento, la magnitud de su velocidad se reducirá hasta detener al objeto o invertir su sentido. Un newton es igual a un kilogramo por metro sobre segundo al cuadrado.

Tercera Ley de Newton

Newton encontró que las fuerzas siempre actúan en pares, cada una de igual magnitud y dirección pero en sentidos contrarios. La tercera ley establece: Cuando un objeto ejerce una fuerza (acción) sobre otro objeto, este a su vez ejerce sobre el primero una fuerza de igual magnitud y dirección pero en sentido opuesto, a lo que llamaremos reacción.

Ley de Gravitación Universal

Newton estableció la ley y de acuerdo con esta ley, los cuerpos en el espacio se atraen con una fuerza que es directamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa: F = (m1 * m2) / d². En esta fórmula, m1 y m2 representan las masas de los objetos que interactúan y d a la distancia entre los centros de aquellos.

Fuerza de Gravedad y Peso

El peso es la fuerza con la que la gravedad de la Tierra atrae a un objeto hacia su centro. La aceleración de la gravedad varía según la altura sobre la superficie. La fuerza de gravedad depende del cuadrado de la distancia. La masa de una persona no cambia con la altura, pero sí su peso.

Fuerza de Fricción

Existe otra fuerza que se opone a la que aplicas, de manera que la suma vectorial es cero, y a esto se le llama fuerza de fricción. La fuerza de fricción tiene dos modalidades: la fricción estática y la dinámica. Cuando aplicas fuerza y no se mueve, es estática, y el coeficiente cambia en la dinámica. Nota: la fuerza de fricción estática siempre es de mayor magnitud que la fuerza de fricción dinámica.

Energía Mecánica Cinética y Potencial

La energía asociada al movimiento o a la posición de un objeto se conoce como energía mecánica y se manifiesta cuando cambia el estado de movimiento o la posición de un objeto al aplicarle fuerza. A la energía asociada al movimiento de un objeto se le llama energía cinética, y para calcularla se multiplica su masa por la magnitud de su velocidad al cuadrado (v²) y se divide el resultado entre 2. A la energía asociada a la posición de un objeto y debida a la fuerza gravitacional se le llama energía gravitacional potencial, y se calcula multiplicando la masa del objeto por la aceleración de la gravedad y por su altura sobre el suelo. Cuanta mayor masa o mayor altura, mayor la energía potencial. La unidad de energía es el joule.

Modelos de la Ciencia

Es posible visualizar los elementos que componen un sistema. Estos son útiles para comprender la causa de un fenómeno, explicarlo y su comportamiento en el futuro. Son representaciones de sistemas reales. Se pueden describir las variables que entran en juego y su posible importancia en la explicación del fenómeno, usar los resultados de la experimentación y buscar nuevos conocimientos si lo que sabemos no basta para explicar las situaciones.

De Ptolomeo a Copérnico

Modelo geocéntrico de Ptolomeo: en el que los astros se mueven alrededor de la Tierra, girando sobre circunferencias.

Modelo heliocéntrico de Copérnico: en el que las órbitas se mantienen circulares y el sol es el centro.

La Materia es Continua o Discontinua

La materia es discontinua: los átomos no se ven y no se pueden dividir, son de distintos tamaños y existe el vacío.

Modelo de Dalton del Átomo: Dalton consideró que la materia estaba formada de partículas a las que llamó átomos, invisibles e indestructibles, y que podían ser divididos.

Modelo de Thomson: donde el átomo se compone de electrones con la estructura de un pudín de pasas.

Modelo de Rutherford: el átomo se compone de electrones, protones y neutrones, con la estructura de un sistema solar.

Modelo de Bohr: los electrones giran en órbitas con distintos niveles de energía.

Modelo de Partículas

En el modelo en el cual la materia es discontinua, formado por partículas en un espacio vacío, a esto se le llama el modelo cinético de partículas. Las partículas están en movimiento constante con diferentes velocidades. En el modelo de Clausius y Kroning, las partículas tienen distintas velocidades y se considera la energía cinética y la energía interna de las partículas. Los gases, como el aire, están formados por partículas de distintos tamaños, formas e incluso por distintos tipos de átomos, a esto se le conoce como gases reales. En el modelo cinético de partículas, se considera que un gas está representado de forma simplificada, que está conformado por partículas puntuales rígidas que interactúan unas con otras. A esto se le conoce como gas ideal. El gas ideal se caracteriza porque sus partículas son de igual masa, de igual forma e invisibles, interactúan por contactos y chocando entre ellas y contra las paredes del recipiente, se mueven en el espacio vacío y su energía cinética puede calcularse mediante un promedio, se relaciona con la temperatura del gas y son proporcionales. Si aumentan las partículas, aumenta la masa y la temperatura.

Estados de la Materia

Sólido: Las partículas se mueven alrededor de posiciones fijas debido a intensas fuerzas de interacción entre ellas. La distancia entre sus partículas es pequeña. Conserva su forma, no puede fluir y no se puede comprimir.

Líquido: Las partículas no se agrupan formando una estructura fija. Su interacción es más débil y están a mayor distancia. Se adapta a la forma del recipiente, puede fluir y no se puede comprimir con facilidad.

Gaseoso: Las partículas mantienen una gran distancia entre sí. La interacción es muy débil y se mueven libremente. No conserva su forma, se adapta al recipiente, se extiende y se puede comprimir.

Plasma: Las partículas se mueven desordenadamente, pero las partículas están cargadas. No tienen volumen ni forma fija y pueden fluir. Las partículas chocan entre sí, pueden conducir electricidad y responder a las fuerzas magnéticas.