Introducción al Movimiento y las Interacciones
El movimiento de cualquier cuerpo es el resultado de las interacciones que se producen entre él y los cuerpos que lo rodean. Es necesaria una interacción para modificar el estado de movimiento de un cuerpo, pero no para mantenerlo.
Estados Naturales del Movimiento
Los estados naturales de un cuerpo son el reposo y el Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU). Todo cuerpo tiende a estos estados naturales mientras no haya una fuerza neta que los modifique.
Tipos Fundamentales de Fuerzas
Fuerza de Rozamiento ($F_r$)
La Fuerza de Rozamiento es la interacción entre dos superficies en contacto que se opone al deslizamiento de una sobre la otra. Siempre es una fuerza externa, con sentido contrario al movimiento (o a la tendencia del movimiento) y depende de la fuerza normal ($N$).
Efectos de la Fuerza de Rozamiento:
- Aumenta la fuerza necesaria para iniciar o mantener el movimiento.
- Desgasta las superficies de contacto.
- Consume más energía.
Fórmula: $F_r = \mu \cdot N$ (donde $\mu$ es el coeficiente de rozamiento).
Fuerza de Tensión ($T$)
Es la fuerza que aparece cuando se ejerce una acción a través de una cuerda o cable, generalmente en los cuerpos que están suspendidos o siendo jalados.
Fuerza Elástica ($F_e$)
Aparece cuando se aplica una fuerza a través de un cuerpo elástico (como un resorte). Esta fuerza es restauradora y va en sentido contrario a la deformación (elongación o compresión).
Fórmula (Ley de Hooke): $F_e = K \cdot \Delta x$, donde $K$ es la constante elástica y $\Delta x$ es la elongación.
Fuerza Peso ($P$)
Es la fuerza de atracción gravitatoria que la Tierra ejerce sobre cualquier cuerpo que está en su entorno.
Fórmula: $P = m \cdot g$ (masa por aceleración de la gravedad).
Nota: La Tierra también recibe una fuerza de atracción por nuestra parte, pero debido a su inmensa masa, esta fuerza es incapaz de mover la gran masa de la Tierra de manera perceptible.
Las Leyes del Movimiento de Newton
Primera Ley de Newton: Principio de Inercia
Para cambiar el estado de movimiento de un cuerpo (reposo o MRU) hace falta una fuerza neta. Los cuerpos tienen una inercia (resistencia al cambio), la cual está cuantificada por la masa del cuerpo.
Segunda Ley de Newton: Dinámica y Aceleración
La aceleración ($a$) que experimenta un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza neta ($\sum F$) aplicada e inversamente proporcional a su masa ($m$). Toda fuerza neta aplicada sobre un cuerpo produce una aceleración que es proporcional a dicha fuerza.
Fórmulas: $F = m \cdot a$ o $\sum F = m \cdot a$
Tercera Ley de Newton: Principio de Acción y Reacción
Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro (acción), este ejerce una fuerza igual y de sentido contrario sobre el primero (reacción).
Características de la Acción y Reacción:
- Ambas fuerzas son simultáneas.
- Se aplican sobre cuerpos diferentes.
- Pueden ser fuerzas de contacto o de acción a distancia.
Si un cuerpo A ejerce una fuerza $F_1$ sobre un segundo cuerpo B, este reacciona ejerciendo sobre A una fuerza $F_2$ igual pero de sentido contrario.
Fórmula: $F_1 = -F_2$
Fórmulas Clave de la Dinámica y Cinemática
Ecuaciones de Fuerza y Movimiento:
- $T – P = m \cdot a$ (Aplicación de la Segunda Ley en un eje vertical, asumiendo aceleración $a$)
- $F_x = F \cdot \cos\alpha$ (Componente horizontal de una fuerza)
- $F_y = F \cdot \sen\alpha$ (Componente vertical de una fuerza)
- $v = v_0 + a \cdot t$ (Ecuación de velocidad en MRUA)