LEYES DE NEWTON
PRIMERA LEY DE NEWTON O LEY DE LA INERCIA
la primera ley de Newton, conocida también como Ley de inercia nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad cero).
La primera ley de Newton sirve para definir un tipo especial de sistemas de referencia conocidos como Sistemas de referencia inerciales, que son aquellos sistemas de referencia desde los que se observa que un cuerpo sobre el que no actúa ninguna fuerza neta se mueve con velocidad constante
.
SEGUNDA LEY DE NEWTON O PRINCIPIO FUNDAMENTAL DE LA DINAMICA:
F = m a
Tanto la fuerza como la aceleración son magnitudes vectoriales, es decir, tienen, además de un valor, una dirección y un sentido. De esta manera, la Segunda ley de Newton debe expresarse como:
F = m a
La unidad de fuerza en el Sistema Internacional es el Newton y se representa por N.
TERCERA LEY DE NEWTON O PRINCIPIO DE ACCIÓN Y REACCIÓN:
La tercera ley, también conocida como Principio de acción y reacción nos dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario.
Esto es algo que podemos comprobar a diario en numerosas ocasiones. Por ejemplo, cuando queremos dar un salto hacia arriba, empujamos el suelo para impulsarnos. La reacción del suelo es la que nos hace saltar hacia arriba.
SIGNIFICADO FISICO DE LAS DOS PRIMERAS LEYES DE NEWTON
PRIMERA LEY DE NEWTON:
Esta ley postula, por tanto, que un cuerpo no puede cambiar por sí solo su estado inicial, ya sea en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, a menos que se aplique una fuerza o una serie de fuerzas cuyo resultante no sea nulo sobre él. Newton toma en cuenta, así, el que los cuerpos en movimiento están sometidos constantemente a fuerzas de roce o fricción, que los frena de forma progresiva, algo novedoso respecto de concepciones
SEGUNDA LEY DE NEWTON:
La segunda ley del movimiento de Newton dice que:
El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz
impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se
imprime.
Esta ley explica qué ocurre si sobre un cuerpo en movimiento
(cuya masa no tiene por qué ser constante) actúa una fuerza neta: la fuerza
modificará el estado de movimiento, cambiando la velocidad en módulo o
dirección.La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo,
de manera que podemos expresar la relación de la siguiente manera:
F = m a
REFORMULACIÖN DEL SEGUNDA LEY DE NEWTON
La Segunda Ley de Newton establece lo siguiente:
La aceleración de un objeto es directamente proporcional a
la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa.
De esta forma podemos relacionar la fuerza y la masa de un
objeto con el siguiente enunciado:
Una buena explicación para misma es que establece que
siempre que un cuerpo ejerce una fuerza sobre un segundo cuerpo, el segundo
cuerpo ejerce una fuerza sobre el primero cuya magnitud es igual, pero en
dirección contraria a la primera.
También podemos decir que la segunda ley de Newton responde la pregunta
de lo que le sucede a un objeto que tiene una fuerza resultante diferente de
cero actuando sobre el.
TRABAJO
El trabajo que realiza una fuerza sobre un cuerpo equivale a
la energía necesaria para desplazar este cuerpo.1 El trabajo es una magnitud
física escalar que se representa con la letra \ W (del inglés Work) y se
expresa en unidades de energía, esto es en julios o joules (J) en el Sistema
Internacional de Unidades.
Ya que por definición el trabajo es un tránsito de
energía,2 nunca se refiere a él como incremento de trabajo, ni se simboliza
como ΔW.
Matemáticamente se expresa
como:
a continuación un ejercicio resulto de dinámica en la que existe trabajo:
POTENCIA
En física, potencia (símbolo P)nota 1 es la cantidad
de trabajo efectuado por unidad de tiempo.
Si W es la cantidad de trabajo realizado durante un
intervalo de tiempo de duración Δt, la potencia media durante ese intervalo
está dada por la relación:
La potencia instantánea es el valor límite de la potencia
media cuando el intervalo de tiempo Δt se aproxima a cero:
UNIDADES DE TRABAJO Y DE POTENCIA
UNIDADES DE TRABAJO:
En unidades del SI el trabajo se mide en Nxm esta unidad se
llama joule (j)
Un joule es igual al trabajo realizado por una fuerza de un
newton al mover un objeto a través de una distancia paralela de un metro.
UNIDADES DE POTENCIA:
Sistema Internacional (SI):
Sistema inglés:
caballo de fuerza o caballo de potencia, horse power en
inglés, (HP)
1 HP = 550
ft·lbf/s
1 HP =
745,699 871 582 270 22 W
Sistema técnico de unidades:
kilográmetro por segundo, (kgm/s)
1 kgm/s = 9,80665 W
Sistema cegesimal
ergio por segundo, (erg/s)
1 erg/s = 1x10-7 W
Otras unidades:
caballo de vapor, (CV)
1 CV = 75 kgf·m/s = 735,49875 W
ENERGÍA CINÉTICA
En física, la energía cinética de un cuerpo es aquella
energía que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario
para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la
velocidad indicada. Una vez conseguida esta energía durante la aceleración, el
cuerpo mantiene su energía cinética salvo que cambie su velocidad. Para que el
cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la
misma magnitud que su energía cinética. Suele abreviarse con letra Ec o Ek (a
veces también T o K).
Los carros de una montaña rusa alcanzan su máxima energía cinética cuando están en el fondo de su trayectoria. Cuando comienzan a elevarse, la energía cinética comienza a ser convertida a energía potencial gravitacional, pero, si se asume una fricción insignificante y otros factores de retardo, la cantidad total de energía en el sistema sigue siendo constante.
TRABAJO DE UNA FUERZA DE MAGNITUD
1 TRABAJO REALIZADO POR UNA FUERZA CONSTANTE.
Si la fuerza F que actúa sobre una partícula es constante (en magnitud y dirección) el movimiento se realiza en línea recta en la dirección de la fuerza. Si la
partícula se desplaza una distancia x por efecto de la fuerza F (figura 5.1), entonces se dice que la fuerza ha realizado trabajo W sobre la partícula de masa m, que en este caso particular se define como: W = F x
Si la fuerza constante no actúa en la dirección del movimiento, el trabajo que
se realiza es debido a la componente x de la fuerza en la dirección paralela al
movimiento, como se ve en la figura 5.2a. La componente y de la fuerza, perpendicular al desplazamiento, no realiza trabajo sobre el cuerpo.
i α es el ángulo medido desde el desplazamiento x hacia la fuerza F, el valor
del trabajo W es ahora:
W = (Fcosα)x
De acuerdo a la ecuación anterior, se pueden obtener los siguientes conclusiones:
a) si α = 0º, es decir, si la fuerza, como en la figura 5.1, o una componente de
la fuerza, es paralela al movimiento, W = (F cos 0) x = F x;
b) si α = 90º, es decir, si la fuerza o una componente de la fuerza es perpendicular al movimiento, W = (F cos90) x = 0, no se realiza trabajo;
c) si la fuerza aplicada sobre el cuerpo no lo mueve, no realiza trabajo ya que
el desplazamiento es cero;
d) si 0 < α < 90º, es decir, si la fuerza tiene una componente en la misma dirección del desplazamiento, el trabajo es positivo;
e) si 90º < α < 180º, es decir, si la fuerza tiene una componente opuesta a la
dirección del desplazamiento, el trabajo es negativo.
De estas conclusiones se deduce que el trabajo, para una fuerza constante.
ENERGÍA POTENCIAL
Es la energía que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función exclusivamente de su posición o configuración. Puede pensarse como la energía almacenada en el sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Suele abreviarse con la letra \scriptstyle U o \scriptstyle E_p.
La energía potencial puede presentarse como energía potencial gravitatoria, energía potencial electrostática, y energía potencial elástica.
Energía potencial asociada a campos de fuerzas.
La energía potencial puede definirse solamente cuando la fuerza es conservativa. Si las fuerzas que actúan sobre un cuerpo son no conservativas, entonces no se puede definir la energía potencial, como se verá a continuación. Una fuerza es conservativa cuando se cumple alguna de las siguientes propiedades:
El trabajo realizado por la fuerza entre dos puntos es independiente del camino recorrido.
El trabajo realizado por la fuerza para cualquier camino cerrado es nulo.
Cuando el rotacional de la fuerza es cero.
Energía potencial gravitatoria:Si un cuerpo
Para estos casos en los que la variación de la gravedad es insignificante, se aplica la fórmula:
Donde U es la energía potencial, m la masa, 
la aceleración de la gravedad, y H la altura.
la aceleración de la gravedad, y H la altura.
Sin embargo, si la variación de altitud es importante, y por tanto la variación de la aceleración de la gravedad es considerable, se aplica la fórmula general:
TEOREMA DEL TRABAJO Y LA ENERGÍA CINÉTICA
Sea F la fuerza neta aplicada a una partícula que se
mueve a través de una trayectoria C entre las posiciones A y B...
Esta expresión es válida para cualquier tipo de fuerza.
Por tanto, para una fuerza conservativa podemos igualar las dos expresiones anteriores y, pasando al primer miembro lo que depende del estado inicial y al segundo lo del final:
WAB=-Fr x
Sabemos
que:
Al ser F la
fuerza neta (Newton; F=ma,F=mdv/dt),sustituyendo
nos queda:
El
trabajo total realizado sobre una partícula que se desplaza entre dos
posiciones A y B a través de C coincide con la variación de la energía cinética
de la partícula entre ambas posiciones.
Éste teorema facilita muchos cálculos de problemas que involucran éstas propiedades.
Ejemplo. Una bala de 20 g choca contra un banco de fango, como se muestra en la figura, y penetra una distancia de 6 cm antes de detenerse. Calcule la fuerza de frenado F, si la velocidad de entrada fue de 80 m/s.
Se tienen como datos la rapidez inicial y la rapidez final, además de la masa de la bala como la cantidad desplazada mientras se le aplica la fuerza. Por el teorema del trabajo y la energía se puede encontrar el valor de esa fuerza:
La rapidez v(2) es el estado final (0 m/s), y la rapidez v(1) es el estado inicial antes de entrar al banco de fango (80 m/s). La masa de la bala es 20 g = 0.02 Kg. Entonces:
Ésto es igual al trabajo neto efectuado por todas las fuerzas. En éste caso, la única fuerza que actúa es la que detiene a la bala (la fricción del fluído viscoso):
W = F*d = ∆K = - 64 J
Con d = 6 cm = 0.06 m:
F = - 64 J / 0.06 m = - 1066.67 N
Note que el signo negativo indica que la fuerza tiene sentido opuesto al desplazamiento (como en la definición de trabajo).
CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA DE UNA PARTÍCULA
Sistema mecánico en el cual se conserva la energía, para choque perfectamente elástico y ausencia de rozamiento.
En el apartado de energía cinética hemos visto que el trabajo
de una fuerza es igual a la variación de energía cinética que experimenta la
partícula sobre la que actúa.
Esta expresión es válida para cualquier tipo de fuerza.
Por otra parte, para
una fuerza conservativa:
Por tanto, para una fuerza conservativa podemos igualar las dos expresiones anteriores y, pasando al primer miembro lo que depende del estado inicial y al segundo lo del final:
La suma de la energía cinética y
potencial de una partícula se denomina energía mecánica (E).
Si sobre una partícula
actúan varias fuerzas conservativas, la energía potencial será la suma de las
energías potenciales asociadas a cada fuerza.
FUERZAS NO CONSERVATIVAS
Fuerzas no conservativas
Para darnos cuenta del significado de una fuerza no conservativa, vamos a compararla con la fuerza conservativa peso.
El peso es una fuerza conservativa.
Calculemos el trabajo de la fuerza peso cuando la partícula se traslada de A hacia B, y a continuación cuando se traslada de B hacia A.
WAB=mg x
WBA=-mg x
El trabajo total a lo largo el camino cerrado A-B-A, WABA es cero.
La fuerza de rozamiento es una fuerza no conservativa
Cuando la partícula se mueve de A hacia B, o de B hacia A la fuerza de rozamiento es opuesta al movimiento, el trabajo es negativo por que la fuerza es de signo contrario al desplazamiento.
WAB=-Fr x
WBA=-Fr x
El trabajo total a lo largo del camino cerrado A-B-A, WABAes distinto de cero
WABA=-2Fr x
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