Cinemática: El Estudio del Movimiento
Introducción a la Cinemática
La cinemática es la rama de la física que se encarga de estudiar el movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo provocan. Se divide en dos áreas principales: la cinemática del punto y la cinemática de los sistemas.
Cinemática del Punto
Un punto en cinemática se refiere a un objeto indeformable con masa, cuyas dimensiones son pequeñas en comparación con la longitud de la trayectoria que recorre. El movimiento de un punto puede ser absoluto o relativo.
- Movimiento Absoluto: El sistema de referencia permanece fijo.
- Movimiento Relativo: El sistema de referencia se mueve respecto a otro.
Dos sistemas de referencia son inerciales cuando están fijos entre sí o se mueven con un movimiento rectilíneo uniforme (MRU).
Trayectoria
La trayectoria es el conjunto de posiciones sucesivas que ocupa un móvil en su desplazamiento.
Componentes Intrínsecas de la Aceleración
Los ejes de las componentes intrínsecas de la aceleración están unidos a la trayectoria del móvil y se desplazan con este. Este sistema comprende tres ejes cartesianos ortogonales que forman un triedro intrínseco:
- Eje Tangente: Tangente a la trayectoria en cada punto.
- Eje Normal: Coplanario con el eje tangente y perpendicular a este.
- Eje Binormal: Perpendicular a los ejes tangente y normal.
El plano común al eje tangente y el normal se denomina plano osculador. La velocidad instantánea siempre se encuentra en el plano osculador, por lo que carece de componente binormal.
Dinámica: Las Fuerzas que Provocan el Movimiento
Introducción a la Dinámica
La dinámica es la rama de la mecánica que se ocupa del movimiento de los cuerpos considerando las fuerzas que los producen. Se divide en dinámica del punto y dinámica de los sistemas.
Leyes de Newton
Primera Ley de Newton: Principio de Inercia
Todo cuerpo en estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme (MRU) tiende a permanecer en dicho estado a menos que haya fuerzas exteriores que lo modifiquen.
Segunda Ley de Newton: Principio Fundamental de la Dinámica
La aceleración que experimenta un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza aplicada e inversamente proporcional a su masa. La relación entre la fuerza aplicada y la aceleración producida es una medida de la inercia del cuerpo, denominada masa.
Tercera Ley de Newton: Principio de Acción y Reacción
Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, este ejerce sobre el primero otra fuerza igual y opuesta a la anterior. La primera fuerza es la acción y la segunda la reacción. Aunque sean iguales y opuestas, no se equilibran ya que actúan sobre cuerpos diferentes.
Impulso y Cantidad de Movimiento
El impulso es la fuerza que actúa sobre un cuerpo durante un tiempo determinado. La cantidad de movimiento o momento lineal de un cuerpo es el producto de su masa por su velocidad.
El principio de conservación de la cantidad de movimiento establece que la cantidad de movimiento total de un sistema permanece constante si no hay fuerzas externas que actúen sobre él.
Componentes Intrínsecas de la Fuerza
Fuerza Centrípeta
La componente normal de la fuerza se denomina fuerza centrípeta, ya que está dirigida hacia el centro de curvatura de la trayectoria.
Fuerza Centrífuga
La fuerza centrífuga es una fuerza de reacción, igual en módulo y dirección pero de sentido contrario a la fuerza centrípeta.
Momento Cinético e Impulso Angular
Momento Cinético
El momento cinético o momento angular de un cuerpo es el producto vectorial de su momento lineal por su vector de posición.
Impulso Angular
El impulso angular es la variación del momento cinético. El teorema de conservación del momento cinético establece que si el momento de la fuerza que actúa sobre un móvil se anula, el momento cinético del móvil permanecerá constante.
Trabajo y Energía
Trabajo, Potencia y Energía Cinética
Trabajo
El trabajo realizado por una fuerza sobre un cuerpo es el producto escalar de la fuerza por el desplazamiento del cuerpo.
Potencia
La potencia es la tasa de trabajo realizado por unidad de tiempo.
Energía Cinética
La energía cinética de un cuerpo es la energía que posee debido a su movimiento. Es igual a la mitad del producto de su masa por el cuadrado de su velocidad.
Teorema de las Fuerzas Vivas
El teorema de las fuerzas vivas establece que el trabajo realizado por una fuerza que se aplica a un cuerpo durante cierto tiempo es igual a la variación de la energía cinética.
Fuerzas Conservativas y Energía Potencial
Fuerzas Conservativas
Una fuerza es conservativa cuando su trabajo es independiente de la trayectoria seguida por el cuerpo. Las fuerzas conservativas no producen pérdida de energía.
Energía Potencial
La energía potencial es la energía que posee un cuerpo debido a su posición o configuración. Es una medida del trabajo que se puede realizar por una fuerza conservativa.
Conservación de la Energía Mecánica
La conservación de la energía mecánica establece que la energía total de un sistema permanece constante si solo actúan fuerzas conservativas sobre él. La energía mecánica es la suma de la energía cinética y la energía potencial.
Fuerzas No Conservativas
Las fuerzas no conservativas son aquellas que producen pérdida de energía. Un ejemplo de fuerza no conservativa es la fuerza de rozamiento.
Energía Total de una Partícula
La energía total de una partícula es la suma de su energía cinética, su energía potencial y cualquier otra forma de energía que pueda tener.