Dinámica
Introducción
¡Hola!
Es un gusto enorme saludarte en la continuación de tu formación personal y académica. Es importante destacar que, para el logro de tus competencias personales, es necesaria tu participación en el desarrollo de los temas de la presente clase.
En esta tercera sesión digital aprenderás a identificar que en la dinámica, rama que se desprende de la física, se reconocen las fuerzas que actúan sobre los objetos para permitir que permanezcan en reposo o se mantengan en movimiento dentro de un sistema en estudio. Además se revisarán las leyes de Newton y la forma en que se manifiestan en nuestra vida cotidiana, lo que tiene mucha relación con el trabajo, la energía y la potencia que pueden ser estudiados en los objetos que tienen movimiento o que se encuentran en reposo. a lo largo del recorrido por esta clase, podrás conocer los elementos que favorecen el movimiento de los objetos, también de aquellos que provocan la disminución del mismo a través del tiempo.
Comprenderás que a los planetas también los rige la física a través de leyes especiales para conocer su movimiento y trayectoria a través del tiempo.
Te invito a proseguir en esta fascinante lección.
Desarrollo del tema
2.3 Dinámica
Estudia la relación que hay entre las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y los efectos que se producirán sobre el movimiento de un objeto, en las que relaciona la causa con el efecto que se produce sobre los objetos. Isaac Newton fundó las bases de la dinámica a través de 3 leyes.
2.3.1 Leyes del movimiento de Newton
La dinámica atiende las leyes de Newton:
La primera Ley de Newton también se conoce como principio de la inercia y establece que un objeto no modifica su estado de reposo o de movimiento mientras no se aplique ninguna fuerza sobre él, o si la suma de las fuerzas que se le aplican es nula. Es decir, que se mantendrá en reposo si estaba en reposo o moviéndose de manera uniforme en línea recta si se encontraba en movimiento.
Los objetos tienden a mantener su estado de movimiento cuando no tienen fuerzas externas que modifiquen su movimiento. Es lo que se suele conocer como ley de la inercia de los objetos. Realmente, lo que hace que los objetos acaben por detenerse es la presencia de una fuerza contraria al movimiento: la fuerza de rozamiento.
Lo que puede ser representado como:
Ejemplo 1
- Te encuentras parado arriba de un camión que se encuentra en reposo sin sujetarse de algo fijo. Si éste se arranca repentinamente, por la tendencia de tu cuerpo de quedarse donde estaba, te sentirás impulsado hacia atrás.
- Por el contrario, si el camión está en movimiento y frena bruscamente, por la tendencia de tu cuerpo de seguir con ese movimiento, te sentirás impulsado hacia adelante.
- Por otra parte, si el camión lleva un movimiento rectilíneo uniforme y tienes un objeto en tus manos, al aventarlo hacia arriba, éste regresará a ellas nuevamente.
Segunda Ley de Newton
Determina una relación proporcional entre fuerza y la variación de la cantidad de movimiento de un objeto. Dicho de otra forma, la fuerza es directamente proporcional a la masa y a la aceleración de un cuerpo.
Lo que significa es que la aceleración que un objeto determinado experimenta es proporcional a la fuerza que actúa sobre él, que puede o no ser constante, lo anterior se puede comprender como la fuerza es la causa del cambio de movimiento y velocidad.
Lo que puede ser representado como:
Los siguientes ejemplos fueron tomados de www.ecured.cu/Segunda_Ley_de_Newton
Ejemplo 2
A un cuerpo que tiene una masa de 3400 g se le aplica una fuerza de 1.7 N, su aceleración en m/s2 es:
m = 3400 g
F = 1.7 NF=ma
Ejemplo 3
La aceleración con que se mueve un cuerpo de 20 kg al aplicarle las fuerzas F1 y F2 es de:
Al considerar la descomposición de las fuerzas:
Ejemplo 4
Un hombre tiene una masa de 100 kg y va a descender desde una cierta altura, utilizando para ello una cuerda cuya carga de ruptura es de 90 kg. ¿Cuál debe ser la aceleración mínima con la que el hombre deberá de bajar para que la cuerda no se rompa?
Tercera Ley de Newton
Ocurre cuando un objeto C ejerce una fuerza sobre otro llamado D, D va a reaccionar ejerciendo otra fuerza sobre C de igual magnitud y dirección, pero en sentido contrario. La fuerza aplicada en primer momento recibe el nombre de fuerza de acción (se aplica sobre un objeto) y la aplicada en segundo momento corresponde a la fuerza de reacción, como lo podemos observar en las figuras siguientes:
Para mejorar la comprensión del tema te invito a revisar el material del siguiente video:
2.3.2 Ley de la Gravitación Universal
Newton dedujo, como parte del diseño y formulación, que la fuerza con que dos objetos con masas diferentes o iguales se atraen es proporcional al producto de sus masas dividido por la distancia que las separa al cuadrado. Esta ley implica que, mientras más cerca y grandes sean dos cuerpos, más se atraerán entre sí.
Por lo tanto podría enunciarse de la siguiente manera “La fuerza con que se atraen dos objetos es proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa”.
De acuerdo a la siguiente expresión:
F fuerza de atracción entre dos masas (en N)
G constante de gravitación universal (6,67×10-11 N.m2/kg2)
m1 masa de uno de los cuerpos (en kg)
m2 masa de otro de los cuerpos (en kg)
r distancia que los separa (en m)
Considerando el siguiente ejercicio:
Ejemplo 1
Una masa de 800 kg y otra de 500 kg se encuentran separadas por 3m, ¿Cuál es la fuerza de atracción que experimenta la masa?
Te invito a ver el siguiente video para revisar un ejemplo de la aplicación de la fórmula:
2.3.3 Leyes de Kepler
Las leyes de Kepler se plantearon para explicar matemáticamente el movimiento de los planetas alrededor del Sol. Además pueden aplicarse a lo que gira alrededor del sol, como planetas, asteroides, cometas y satélites artificiales y naturales.
Para complementar tu aprendizaje te invito a ver el video de las leyes de Kepler:
2.4 Trabajo, energía y potencia.
El trabajo es una magnitud escalar que depende de la fuerza aplicada sobre un objeto y el desplazamiento que logra el mismo objeto, además equivale a la energía necesaria para desplazar a este objeto. El trabajo se puede representar con la letra W (de work, trabajo en inglés) y se representa en unidades de energía Joules o Julios (J) en el sistema internacional.
Aquello que corresponde a la medida de la capacidad de algo para producir trabajo y que además puede almacenarse y medirse de muchas formas, corresponde a la energía, uno de los más importantes en Física y en términos simples es “una medida de su capacidad para realizar trabajo”.
La energía cinética la tiene un objeto debido a su movimiento, y depende de la masa del objeto y la velocidad a la cual se mueve el mismo objeto. También puede considerarse que el trabajo total realizado sobre un cuerpo es igual a su variación de energía cinética.
W = F d
E cinética (Ec) =
W = ΔEc
Ec
m es la masa del objeto en kg
v es la velocidad en m/s
F es la fuerza ejercida sobre el objeto en N
d es la distancia recorrida por el objeto en m
La relación que existe entre la energía cinética y la energía potencial puede representarse elevando un objeto y dejándolo caer, como se muestra en la siguiente figura:
La energía asociada a un objeto que se encuentra a una altura determinada sobre una superficie se le conoce como energía potencial. Si se deja caer el objeto, la energía potencial se transforma en energía cinética.
Energía potencial
La energía potencial es asociada con la fuerza de gravedad y dependerá de la altura de un objeto respecto de algún punto de referencia, de la masa, y de la fuerza de la gravedad. Por ejemplo, si un bloque de madera apoyado en una mesa es elevado, una fuerza externa estará actuando en contra de la fuerza de gravedad. Si el bloque de madera cae, el mismo trabajo que el empleado para levantarlo, será realizado por la fuerza de gravedad. Es por ello que, un bloque de madera a un metro del piso tiene menos energía potencial que otro que se encuentra a dos metros, o un bloque de madera de mayor masa a la misma altura.
La energía potencial se puede calcular a partir de la siguiente fórmula: Ep = mhg
Donde m corresponde a la masa del objeto en kg;
h es la altura a la que se encuentra el objeto
g es la aceleración de la gravedad de 9.81 m/s2
Potencia
La potencia corresponde al trabajo realizado por unidad de tiempo determinado. Mientras más rápido se realiza el trabajo la potencia que se desarrolla es mayor. La potencia se puede definir como la división entre el trabajo realizado, W, y el tiempo en que tarda en realizarlo, t.
P = W/t
Las unidades de la Potencia son los watts
W es el trabajo en Joules
t es el tiempo en s
Ejemplo 1. Un objeto de 15 kg se deja caer desde una altura de 10 m. Calcula el trabajo realizado por el peso del objeto.
Ejemplo 2. Una bomba eléctrica es capaz de elevar 500 kg de agua a una altura de 25 m en 50 s. Calcula la potencia de la bomba.
Ejemplo 3.
Calcula la energía cinética de un automóvil de 500 kg de masa que se mueve a una velocidad de 100 km/h.
Convirtiendo las unidades al sistema internacional:
Ejemplo 4.
Un automóvil de 1000 kg de masa aumenta su velocidad de 0 a 100 km/h en un tiempo de 8 s. Calcular la potencia del automóvil.
Retomando del problema anterior 100 km/h = 27.8 m/s
Ejemplo 5.
Calcula la energía potencial de un cuerpo de 30 kg de masa que se encuentra a una altura de 20 m.
Para finalizar, revisa el siguiente vídeo para terminar de comprender trabajo, energía y potencia:
Conclusión
Como es sabido, la energía se puede manifestar en diferentes formas, lo que tiene que ver con las características del sistema que se está estudiando, además existe una fuerte relación con el trabajo y la potencia que puede realizar un objeto cualquiera y que se vincula al movimiento o reposo del mismo, como ocurre para la energía cinética con su movimiento y para la energía potencial con su reposo, pero con una altura respecto de un punto de referencia.
Es relevante reconocer que el movimiento de los objetos se ajusta a lo establecido por las leyes de Newton como lo refiere la dinámica como rama de la física.
También aprendimos que existen relaciones complementarias que aportan a entender el movimiento y las fuerzas que interaccionan en los planetas y en sistemas con objetos de gran tamaño, al utilizar la ley de atracción universal.
¡Te felicito por tu logro! Te invito a continuar con tu proceso formativo realizando y mandando la actividad asignada a esta clase. “Perseverar es sinónimo de tenacidad, no decaigas sigue perseverando en tu educación” Te encuentro en la siguiente clase. Hasta luego.