Leyes de la Dinámica

¿Por qué se mueven los objetos?

          Todos los objetos y cuerpos se mueven gracias  a una fuerza sea de la naturaleza o tipo que sea. 

¿Sabes qué es una Fuerza?

          Una fuerza es toda causa capaz de originar en los cuerpos dos tipos de efectos:

            Un efecto Dinámico: Si modifica el movimiento de los cuerpos.

Figura 1. Efecto Dinámico de la fuerza. El carrito se mueve gracias a la fuerza que aplica el niño

            Un efecto deformador: Cuando se modifica la forma de los cuerpos.

Figura 2. Efecto Deformador de la fuerza. La lata cambia de forma debido a la fuerza que se le aplicada por la prensa eléctrica.

       Entonces, la aplicación de la fuerza puede provocar movimiento en los cuerpos o modificar la forma de los cuerpos.

          En mecánica, por ser una rama de la física, existe una especialidad que estudia el movimiento de los cuerpos considerando la causa que los produce, es decir considerando la fuerza, se le conoce como dinámica.

           La dinámica es la rama de la mecánica que estudia el movimiento de los cuerpos considerando la causa que lo produce.

           Al igual que muchas otras magnitudes de la física, la fuerza se conoce como una magnitud vectorial, porque para analizarla a fondo es necesario tener en cuenta tres aspectos de la misma: la magnitud, la dirección y el sentido de  la misma, por lo que es necesario estudiar el:

CARÁCTER VECTORIAL DE LA FUERZA

         Para que el efecto de una fuerza quede bien definido, es necesario especificar los siguientes elementos: Magnitud, punto de aplicación, dirección y sentido. Esta es la razón por la cual la fuerza, cualquiera que sea su naturaleza, se dice que tiene carácter vectorial y cómo tal puede ser representada mediante vectores, es decir; pueden sumarse, restarse o descomponerse, por lo que debemos aprender operaciones vectoriales con fuerzas para entender como sumar, restar y descomponer vectores.

OPERACIONES VECTORIALES CON FUERZAS

          Lo que se busca es tener una fuerza resultante que nos indique como se comportan los objetos, cuerpos o partículas bajo la acción de dos o más fuerzas.

          Particularmente para realizar las operaciones vectoriales se utiliza el método del paralelogramo; para encontrar la resultante de dos fuerzas, en el caso de que sean más las fuerzas intervinientes, es necesario aplicar el método del paralelogramo a cada fuerza interviniente en el sistema; para así ir componiéndolas en sus componentes rectangulares, lo que resulta bastante embarazoso.

         

Sir Isaac Newton (1642 - 1727)

Quien logra concretar todo los que hoy sabemos sobre el estudio de las fuerzas mecánicas, se debe a las postulaciones realizadas por el Físico Inglés Isaac Newton, basándose en los estudios de otros estudiosos como Galileo Galilei. Lo que le permitió ser una de los personajes más reconocidos a partir del siglo XVIII, además de ser reconocido como el fundador de la mecánica clásica, logrando proponer tres leyes importantísimas para el desarrollo de las industrias y la producción en serie, base de nuestra vida actual. A continuación las leyes propuestas por Newton para la dinámica:

PRIMERA LEY DE NEWTON O LEY DE INERCIA

        Newton para proponer está ley, se basó en los estudios del Galileo Galilei respecto a la materia, quien ya había concluido que todos los cuerpos que poseen masa poseían una característica a la cual llamó INERCIA. ¿Sabes que es la inercia?

        La Inercia es una características que presentan los cuerpos los cuerpos al oponerse a ser acelerados.

           Es decir, ningún cuerpo sea cual sea su naturaleza, tamaño o masa, hará fácil el cambio de la velocidad que posee en un momento determinado. De allí nace la ley de inercia que dice:

"Todo cuerpo permanece en estado de reposo o de movimiento rectilíneo y uniforme a menos que una fuerza externa no equilibrada actué sobre él y lo obligue a cambiar dicho estado". 

       Para entender mejor la ley de Inercia de dejo el siguiente vídeo descargado de: https://www.youtube.com/watch?v=FghZEOeWcWA

           ¿Si queremos mover un autobús lleno de gente y a un carrito de supermercado , como se muestra Figura 3, en cual situación debes aplicar mayor fuerza para lograr obtener aceleración?

Figura 3. Relación masa, aceleración y fuerza.

            Claramente, deberíamos aplicar mayor fuerza en la situación de la izquierda, donde se encuentra el autobús, pues existe una relación vinculante entre la masa de los  cuerpos, la fuerza que se le debe aplicar y la aceleración que van a adquirir. A esto relación fue a lo que Newton llamó Ley de la aceleración:

"La aceleración adquirida por un cuerpo, cuando sobre él actúa una fuerza resultante no equilibrada, es directamente proporcional a la fuerza aplicada, e inversamente proporcional a la masa del cuerpo."

          En otras palabras, la aceleración de un cuerpo aumenta al aplicarle más fuerza y disminuye en relación a la masa del cuerpo.

                  Por eso, en la figura 3, es más fácil acelerar al carrito de supermercado, porque este tiene menor masa.

               El gran logro de Newton fue lograr una expresión matemática que concluye con sus observaciones:

Figura 4. Está ecuación resume la ley de aceleración de Newton.

        Si despejamos de la expresión anterior la fuerza nos queda que: 

Figura 5. A está expresión se le conoce como ley de fuerza.

          A esta expresión se le conoce como ley de fuerza, la cual dice que la fuerza es directamente proporcional a la masa de un cuerpo y a su aceleración; es decir, la fuerza aumenta con la masa y la aceleración del cuerpo.

          ¿Si consideras un jugador de fútbol que le apuesta a uno de béisbol que con una patada puede hacer que la pelota de fútbol llegué más lejos que una pelota de béisbol golpeada por un bate a quien le apostarías?

Figura 6. ¿Quién hará llegar más lejos la pelota?

          No es cuestión de si te gusta más el fútbol o es béisbol, para poder ganar la apuesta es necesario tener en cuenta que la masa de las pelotas, una pelota de béisbol es 3 veces más liviana que una de fútbol.

               Lo que le permitirá adquirir mayor aceleración, y por lo tanto, el pelotero deberá aplicar menor fuerza que el futbolista para que la pelota llegue más lejos. Por lo que es muy probable que el futbolista pierda la apuesta.

LEY DE ACCIÓN Y REACCIÓN

          En este postulado Newton propone que a cada acción le ocupa una reacción de igual magnitud pero de sentido contrario:

           "Si un cuerpo A ejerce una acción sobre un cuerpo B, el cuerpo B reacciona y ejerce una fuerza igual y contraria sobre el cuerpo A".

Figura 7. Ley de acción y reacción.

         La fuerza del cuerpo B sobre el cuerpo A es negativa porque va en sentido negativo del eje x, por lo que al despejar nos damos cuenta que para que están los cuerpos en equilibrio, las fuerzas deben ser iguales en magnitud pero de sentido contrario.

Figura 8. Momento de despegue de un cohete.

           Este principio es muy usado en la propulsión de cohetes espaciales, puesto que a través del proceso de propulsión, el cohete expulsa gran parte de su masa, que es combustible creando una fuerza sobre la tierra y la tierra le proporcionará al cohete una fuerza de la misma intensidad pero de sentido contrario, haciendo que este se desplace con una enorme rapidez mínima de (40320 Km/h), proporcional a la fuerza ejercida y a la aceleración adquirida para poderse desliar del campo gravitatorio.

¿En qué otras situaciones se aplica la ley de acción y reacción?

          Poner en práctica la tercera ley de Newton es más cotidiano de lo que aparenta, puesto que a diario estas aplicando una fuerza para recibir otra de igual magnitud pero de sentido contrario y así lograr tus propósitos; estos son algunos casos.

Figura 9. Algunas situaciones en las que son explicadas mediante la ley de acción y reacción.

Caminar: le aplicas con tus pies una fuerza al suelo y el suelo te la devuelve con la misma intensidad pero en sentido contrario.

Sentarse: le aplicas el peso a la silla y este mediante su superficie te la devuelve haciendo que las fuerzas se equilibren y puedas reposar sobre ella, si la silla no puede igualar tu peso, colapsa y caes hasta el piso.

Remar: le aplicas con el remo una fuerza al agua, y el agua la devuelve en el bote en forma al desplazarse.

Pivotar: Al lanzar el balón al suelo, éste lo impacta con una fuerza que el suelo se lo devuelve con la misma magnitud del impacto, pero en sentido contrario.

          La tercera ley de Newton también explica el hecho de que cuando estás estudiando y te quedas dormido con la cabeza apoyada sobre el teclado del ordenador al levantarte te duele mucho el área que apoyaste en el teclado como si te hubiesen dado una tunda.

Figura 10. Dormido en el teclado del ordenador.

          El peso de la cabeza ejerce una fuerza sobre la superficie del teclado y la superficie del teclado ejerce una de igual magnitud y de sentido contrario sobre la cabeza, por lo que sentirás al despertar que te golpearon, claro que el teclado por ser un cuerpo rígido ayudará que la incomodidad sea mayor.