Física dinámica

Rozamiento cinético. Baricentro. Fuerza de rozamiento. Leyes de Newton. Fuerzas concurrentes, colineales y paralelas. Densidad. Fuerza específica

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FISICA

Dinámica es la parte de la Física que estudia el movimiento de los cuerpos y las fuerzas que producen dicho movimiento.

Peso: Es la fuerza con la que la Tierra atrae a los cuerpos, el cual varía con la posición geográfica.

Es muy común que se confunda masa y peso, y ello se debe, entre otras cosas, a las siguientes razones: Hay una unidad de peso (kilogramo-fuerza) que tiene el mismo nombre que una unidad de masa (kilogramo-masa).

A 45º de latitud y a nivel del mar, un cuerpo que pesa 1 (fuerza) tiene una masa de 1 kg (masa). En los demás lugares de la Tierra, el peso cambia y la masa no.

El dinamómetro es un instrumento que sirve para medir pesos y fuerzas. Consiste en un resorte de acero templado enrollado en espira, contenido en un tubo y con un gancho en su extremo inferior, donde se coloca el cuerpo a pesar

Los dinamómetros son instrumentos en los cuales se aprovecha la deformación de un cuerpo elástico (resorte), para medir la fuerza o peso que le está aplicada.

Unidades de fuerza y peso: Las unidades de fuerza y peso son las mismas que las de peso, es decir: el kilogramo-fuerza (), el newton (N) y la dina.

Equivalencias:

1 = 9,8 N y 1N = 0,102

1N = 100.000 dina y 1 dina = 0,00001 N

1N = 105 dina y 1dina = 10-5 N

EL PESO ESPECIFICO

El Peso Específico de una sustancia es una propiedad específica de la misma, es decir cada sustancia tiene su propio Peso Específico. Se define como Peso Específico de una sustancia al cociente entre el Peso y el Volumen de dicha sustancia. Es decir:

Unidades de Peso Específico más usadas son:

En el SIMELA, el peso específico se mide en

DIFERENCIA QUE EXISTE ENTRE LA DENSIDAD Y EL PESO ESPECIFICO.

El peso especifico y la densidad son evidentemente magnitudes distintas, pero entre ellas hay una intima relación.

El peso de un cuerpo es igual a su masa por la aceleración de la gravedad:

P = m.g

Sustituyendo esta expresión en la definición del peso especifico y recordando que la densidad es la razón m/v queda:

El peso especifico de una sustancia es igual a su densidad por la aceleración de la gravedad.

FUERZA: es toda causa que permite modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo, o bien que puede deformar o modificar un movimiento ya existente, mediante un cambio de velocidad o de dirección. Por ejemplo, al levantar un objeto con las manos se realiza un esfuerzo muscular, es decir, se aplica una fuerza sobre un determinado cuerpo.

El peso de un cuerpo, se define como la fuerza de atracción que ejerce la Tierra sobre dicho cuerpo.

La aplicación de una fuerza muscular puede deformar un cuerpo, por ejemplo, una lámina o un resorte.

Clases de fuerzas: la fuerza puede ejercerse por contacto o a distancia.

FUERZAS DE CONTACTO Y A DISTANCIA

De acuerdo con el modo en que interactúan los cuerpos, las fuerzas pueden actuar por contacto o a distancia.

La fuerza a distancia: es la que se produce sin contacto entre los cuerpos que accionan uno sobre otro. Ejemplos: a) La fuerza magnética que ejerce un imán, a distancia sobre un clavo colocado cerca; b) La fuerza eléctrica que existe entre dos cuerpos cargados de electricidad contraria; c) La fuerza de gravedad que ejerce la Tierra sobre cualquier objeto o cuerpo. Ejemplos: un pájaro, un globo, un avión, etc., que se levantan del suelo no escapan a la gravedad; la Tierra continúa ejerciendo sobre ellos, a distancia, una fuerza de atracción, tanto más débil cuanto más se eleva el objeto.

La fuerza por contacto: es la fuerza que un cuerpo aplica a otro en contacto con él. Ejemplos: a) la fuerza muscular desarrollada por un hombre o un animal para poner un cuerpo en movimiento, impedirlo o modificarlo; b) la fuerza elástica resultante de la deformación de un cuerpo elástico, po ejemplo, las gomas de una honda; c) la fuerza por empuje, ejercida por un gas comprimido, el aire o el agua en movimiento (sobre las velas de un bote, sobre los álabes de una turbina hidráulica, etc.); d) la fuerza por frotamiento que se produce al oprimir un cuerpo sobre otro en movimiento, por ejemplo, al accionar el freno sobre las ruedas de un vehículo en marcha.

Características de una fuerza: una fuerza se caracteriza por tener cuatro elementos:

Punto de aplicación

  • Dirección

  • Sentido

  • Intensidad

  • dirección

Sistema de fuerzas: es el conjunto de varias fuerzas que actúan sobre un cuerpo. Los sistemas de fuerzas pueden ser: colineales, concurrentes y paralelas.

Si un sistema de fuerzas no mueve el cuerpo se dice que está en equilibrio.

Los efectos de una fuerza no cambian cuando su punto de aplicación se traslada en su recta de acción.

Sistema de fuerzas: es el conjunto de varias fuerzas que actúan sobre un cuerpo. Los sistemas de fuerzas pueden ser: colineales, concurrentes y paralelas.

Si un sistema de fuerzas no mueve el cuerpo se dice que está en equilibrio.

Los efectos de una fuerza no cambian cuando su punto de aplicación se traslada en su recta de acción.

Composición de un sistema de fuerzas aplicadas a un cuerpo: Componer un sistema de fuerzas significa encontrar la fuerza resultante, es decir aquella fuerza capaz de reemplazar a las fuerzas componentes para producir el mismo efecto.

1. Sistemas de fuerzas colineales: son fuerzas que actúan sobre la misma línea recta (recta de acción), ya sea en el mismo sentido o en sentido contrario.

Fuerzas de sentidos contrarios:

F1 = 5 N F2 = 8 N

R = F2 - F1 = 8 N - 5 N = 3 N

R = 3 N

Fuerzas del mismo sentido:

F1 = 15 N F2 = 15 N

R = F1 + F2 = 15 N + 15 N

R = 30 N

Cuando dos personas empujan un mueble se dice que aplican un sistema de fuerzas; siempre es posible hallar una fuerza que, aplicada al cuerpo, produzca exactamente el mismo efecto que todo el sistema. Si las fuerzas de esas dos personas son remplazadas por otra persona que por sí sola emplee exactamente la misma fuerza que las dos anteriores, se obtiene una resultante del sistema.

Se define Fuerza Resultante a aquella fuerza capaz de reemplazar a las fuerzas componentes para producir el mismo efecto.

Las fuerzas, en un sistema en el que actúen todas en la misma dirección, tendrán una intensidad de sus componentes e igual sentido. Por ejemplo, un caballo tira de un carro con una fuerza de 100 , mientras que el carrero lo empuja con una fuerza de 50 . La resultante es de 150 , y tiene la misma dirección y sentido (fuerzas colineales del mismo sentido).

También puede darse el caso de un sistema de fuerza con la misma dirección, pero en sentido opuesto. La resultante tiene el mismo sentido que el de la mayor de las dos fuerzas, y su intensidad es la diferencia entre ambas. Un ejemplo es el juego conocido como cinchada, en el que intervienen dos personas o más que tiran con distintas fuerzas, una hacia la derecha y la otra hacia la izquierda; la resultante tendrá el sentido de la mayor fuerza (fuerzas colineales de diferentes sentidos).

Cuando la resultante de las fuerzas aplicadas es igual a cero, se dice que el cuerpo está en equilibrio.

2. Sistema de fuerzas concurrentes: son aquellas fuerzas cuyas direcciones se cortan o concurren en un punto común.

F1 F2

F3

F1

F2

R

F3 método de la poligonal

Las fuerzas F1 ; F2 y F3 transportadas paralelamente de modo que cada una tenga origen en el extremo de la anterior, forman una poligonal. La resultante R es la fuerza que tiene su raíz en el origen de la primera y su final en el extremo de la última.

Las fuerzas concurrentes no llevan la misma dirección pero sí tienen el mismo punto de aplicación. También la resultante de un sistema de fuerzas concurrentes se puede determinar por el denominado método del paralelogramo.

3. Sistema de fuerzas paralelas:

Ejemplo de fuerzas paralelas de igual sentido: dos caballos que tiran del mismo carro.

De igual sentido: se traslada la fuerza mayor sobre la fuerza menor (F2') y con sentido opuesto a la fuerza mayor se toma una fuerza de igual intensidad que la menor (F1'). Se unen los extremos de F1' y F2', lo que determina un segmento que corta al segmento formado por los orígenes de las fuerzas F1 y F2 . Este punto de intersección es el punto de aplicación de la resultante R y la intensidad de la R es igual a la suma de las intensidades de F1 y F2 . El sentido es el mismo.

DESCOMPOSICIÓN DE UNA FUERZA SEGÚN DOS DIRECCIONES

Sea una fuerza F y dos direcciones x e y, descomponer una fuerza significa encontrar las fuerzas componentes. Por ejemplo:

Desde el extremo de la fuerza F, se trazan paralelas a cada una de las direcciones dadas, de tal manera de formar un paralelogramo, Se obtienen las componentes sobre cada una de la direcciones

Leyes de Newton: Representan las leyes más importantes de la mecánica clásica. Estas son tres y fueron formuladas por el más grande físico que ha habido: Newton. Estudiaremos las leyes en el orden en que fueron formuladas, empezando con: a) la ley de inercia, b) la ley que relaciona la fuerza con la aceleración, y c) la ley de acción y reacción.

El estudio de la dinámica es muy importante para conocer el mundo que nos rodea, y sus aplicaciones van desde determinar la fuerza necesaria para mover un automóvil hasta predecir el movimiento de los planetas y galaxias (Newton ideó las leyes porque estaba estudiando los principios que regían los movimientos de los planetas).

Al finalizar el capítulo terminaras sabiendo los conceptos, las ideas y las relaciones que rigen la dinámica de los cuerpos.

Anteriormente se estudió el movimiento sin ocuparnos de las causas que lo producen, aquí no sólo nos ocuparemos de las fuerzas que producen el movimiento sino que además estudiaremos la relación (2ª ley de Newton) que existe entre las causas (F) y los efectos (movimiento).

Podemos decir que el resultado de la interacción entre un objeto y su medio circundante es lo que denominamos fuerza. La fuerza que actúa sobre un cuerpo puede deformarlo, cambiar su estado de movimiento, o ambas cosas.

LEYES DE NEWTON

Primera ley, de la inercia: En palabras del mismo Newton "todo cuerpo conserva su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que sea obligado a cambiar ese estado por fuerzas que se le apliquen". Ejemplo: cuando un vehículo frena los pasajeros son impulsados hacia delante, es decir sus cuerpos tienden a seguir en ese movimiento. Un joven transporta en su motoneta, en el asiento trasero, a un acompañante. Si la motoneta está detenida, y arranca buscamente, el acompañante puede quedar en el lugar, la motoneta sigue.

Segunda ley, ecuación fundamental de la mecánica clásica: “si sobre un cuerpo de masa M se aplica una fuerza F, este cuerpo adquiere una aceleración a que es directamente proporcional a la fuerza aplicada”.

F a F=m.a

M

Tercera ley, de acción y reacción: “Si sobre un cuerpo se ejerce una fuerza, (llamada acción), este cuerpo reacciona con otra fuerza igual y de sentido contrario (llamada reacción)”.

Los cohetes funcionan en base al mismo principio, ya que se aceleran al ejercer una gran fuerza sobre los gases que expulsan. Estos gases ejercen una fuerza igual y opuesta sobre el cohete, lo que finalmente lo hace avanzar.

Cada material, sin importar cuán duro sea, es elástico. Esto hace que al ejercer una fuerza sobre él, este también lo haga. Por ejemplo, si empujamos una mesa estamos ejerciendo una fuerza sobre ella; si miramos nuestras manos, podremos ver qué están deformadas por la fuerza y sentimos dolor. Eso quiere decir que la mesa también ejerció una fuerza sobre nuestras manos.

De acuerdo a la segunda Ley de Newton F = m . a , las unidades de fuerza son:

1.- Un Newton: es la fuerza que aplicada a la masa de un kilogramo le produce una aceleración de , es decir:

2.- Un kilogramo fuerza: es aquella fuerza que aplicada a la masa de un kilogramo le produce una aceleración de , es decir:  

3.- Una dina: es la fuerza que aplicada a la masa de un gramo le produce una aceleración de , es decir:

4.- Un gramo fuerza: es la fuerza que aplicada a la masa de un gramo le produce una aceleración de , es decir:

C u a d r o d e U N I D A D E S

Magnitud

Símbolo

SIMELA

CGS

TECNICO

fuerza

F

N

dina

masa

m

kg

g

aceleración

a

velocidad

V

E q u i v a l e n c i a s

Equivalencias entre las

unidades de masa

Equivalencias entre las

unidades de fuerza

= 9,8 kg

=105 dina

1kg = 0,102 utm

=10-5 N

1kg = 1000 g

= 9,8 N

1g = 0,001kg

1N = 0,102

FUERZA DE ROZAMIENTO

La fuerza de rozamiento surge entre dos cuerpos puestos en contacto cuando uno se mueve respecto al otro. Sobre cada uno de ellos aparece una fuerza de rozamiento que se opone al movimiento.

El valor de la fuerza de rozamiento depende de: a) tipo de superficies en contacto (ej. madera, metal, plástico/granito, etc), b) del estado de la superficies, que pueden ser pulidas, rugosas, etc. (ej. madera compacta finamente lijada, acero inoxidable) y c) de la fuerza de contacto entre ellas.

El tipo y las condiciones de la superficie se representan por un número llamado coeficiente de rozamiento y la fuerza de contacto por N llamada normal de reacción:

Frmáx= Coef.roz . N

La fuerza de rozamiento no siempre alcanza el valor dado por la fórmula (ese es su valor máximo). En realidad la fuerza de rozamiento cuando se tira de un cuerpo pasa de cero a ese valor máximo y va tomando los valores iguales y opuestos a la fuerza de tracción para neutralizarla. Cuando la fuerza de tracción paralela al plano es mayor que la Fr (máxima), el cuerpo se desliza.

LA FUERZA PESO

Cada partícula de un cuerpo es atraída por la Tierra con una fuerza igual al peso de esa partícula. El sentido de cada una de esas fuerzas está dirigido hacia el centro de la Tierra y se las considera paralelas entre sí. De tal manera, se considera a la fuerza Peso del cuerpo como la resultante de todas esas fuerzas paralelas.

El Peso de un cuerpo es la fuerza con que el cuerpo es atraído hacia el centro de la Tierra. El vector Peso de un cuerpo sigue la dirección de la vertical, y su punto de aplicación se denomina centro de gravedad o baricentro. El centro de gravedad de una esfera se encuentra en su centro.

En un cilindro se encuentra en el punto medio de su eje.

El centro de gravedad de un paralelogramo se encuentra en el punto de intersección de sus diagonales.

El centro de gravedad de un triángulo está en la intersección de sus medianas.

El centro de gravedad de un circulo o de un aro se halla en su centro.

 FUERZA DE ROZAMIENTO CINÉTICO

'Fisica'

En la figura, se muestra un bloque arrastrado por una fuerza F horizontal. Sobre el bloque actúan el peso mg, la fuerza normal N que es igual al peso, y la fuerza de rozamiento Fk entre el bloque y el plano sobre el cual desliza. Si el bloque desliza con velocidad constante la fuerza aplicada F será igual a la fuerza de rozamiento Fk.

Podemos investigar la dependencia de Fk con la fuerza normal N. Veremos que si duplicamos la masa m del bloque que desliza colocando encima de éste otro igual, la fuerza normal N se duplica, la fuerza F con la que tiramos del bloque se duplica y por tanto, Fk se duplica.

La fuerza de rozamiento dinámico Fk es proporcional a la fuerza normal N.

Fk=ð k N

La constante de proporcionalidad ð k es un número sin dimensiones que se denomina coeficiente de rozamiento cinético.

El valor de ð k es casi independiente del valor de la velocidad para velocidades relativas pequeñas entre las superficies, y decrece lentamente cuando el valor de la velocidad aumenta.

 Fuerza de rozamiento estático

También existe una fuerza de rozamiento entre dos objetos que no están en movimiento relativo.

Como vemos en la figura la fuerza F aplicada sobre el bloque aumenta gradualmente, pero el bloque permanece en reposo. Como la aceleración es cero la fuerza aplicada es igual y opuesta a la fuerza de rozamiento estático Fe.

F=Fe

La máxima fuerza de rozamiento corresponde al instante en el que el bloque está a punto de deslizar.

Fe máx=ð eN

La constante de proporcionalidad ð e se denomina coeficiente de rozamiento estático.

Los coeficientes de rozamiento estático y dinámico dependen de las condiciones de preparación y de la naturaleza de las dos superficies y son casi independientes del área de la superficie de contacto.

R = F1 + F2

o

F1

F2

R

De sentido contrario: Dadas las fuerzas F1 y F2 de igual dirección y sentido contrario, para hallar el punto de aplicación de la resultante, se toma a partir del orígen de la fuerza mayor un vector de igual módulo y dirección que la fuerza menor pero de sentido contrario (F1'). En el origen de la fuerza menor se traza un vector de igual módulo, dirección y sentido que la mayor (F2'). La recta determinada por los extremos F1' y F2' corta a la determinada por los orígenes de F1 y F2 en el punto de aplicación (o) de la resultante cuyo módulo es igual a la diferencia entre los módulos de F1 y F2 y el sentido es el de la fuerza mayor.

F1

o

a

R

F2 R = F2 - F1

x

F2

F

F1

y

G

P

• G

G G G

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