Conceptos Fundamentales de la Física
Este documento explora principios esenciales de la física, abarcando desde las interacciones de fuerzas hasta las leyes universales que rigen el movimiento y la materia.
El Par de Fuerzas y su Efecto Rotacional
Un par de fuerzas es un conjunto de dos fuerzas paralelas de igual valor y de sentido contrario. El efecto conjunto de ambas es el de provocar el giro del cuerpo sobre el que actúan.
- Módulo o valor: Su módulo o valor depende del radio (R) del volante y del valor de la fuerza (F).
- Dirección: Su dirección es perpendicular al plano del volante.
- Sentido: Su sentido viene determinado por el de avance de un sacacorchos al girar el vector de posición (dirigido desde el centro del volante hasta el origen de la fuerza).
El Equilibrio de los Cuerpos
Un objeto está en equilibrio cuando se encuentra en reposo o en movimiento con velocidad constante.
Tipos de Equilibrio
- Equilibrio estático: Cuando todos sus puntos están en reposo y permanecen en ese estado.
- Equilibrio cinético o traslacional: Cuando su velocidad lineal es constante (en módulo, dirección y sentido) y distinta de cero.
- Equilibrio rotacional: Cuando gira con velocidad angular constante, aunque sobre él actúen una o varias fuerzas.
Condiciones de Equilibrio
Para que un cuerpo no cambie su estado de movimiento o rotación, deben cumplirse ciertas condiciones:
- Un cuerpo podrá comenzar a trasladarse cuando exista una fuerza resultante, Fneta, sobre él.
- Un cuerpo podrá comenzar a girar cuando exista un momento de fuerza neto, M, sobre él.
Leyes de Kepler sobre el Movimiento Planetario
Las leyes de Kepler describen el movimiento de los planetas alrededor del Sol:
- Primera Ley: Los planetas se mueven alrededor del Sol siguiendo órbitas elípticas, uno de cuyos focos es el Sol.
- Segunda Ley: Los planetas barren áreas iguales en tiempos iguales.
- Tercera Ley: El cuadrado del periodo orbital de un planeta es proporcional al cubo de su distancia media al Sol.
Fuerzas Fundamentales en la Mecánica
La Fuerza Normal
La fuerza normal es la fuerza de contacto con la que una superficie tiende a rechazar o repeler un cuerpo apoyado sobre ella. Siempre es perpendicular a dicha superficie de contacto.
La Fuerza de Rozamiento
La fuerza de rozamiento se opone al movimiento relativo de las superficies de dos objetos que están en contacto.
- Es paralela a las superficies en contacto y siempre se opone al movimiento relativo de los objetos implicados.
- Es proporcional a la fuerza normal.
- Depende de la naturaleza de dichas superficies, aunque no del área de contacto entre los cuerpos. La naturaleza y rugosidad de las superficies determinan el coeficiente de rozamiento.
Tipos de Fuerza de Rozamiento
- Fuerza de rozamiento estático: Actúa cuando el cuerpo no se desliza, aunque sobre él exista una fuerza externa, F, por lo que su valor será igual a esta. Si F aumenta, también lo hace la fuerza de rozamiento, alcanzando su valor máximo justo antes de que el cuerpo empiece a deslizarse sobre la superficie.
- Fuerza de rozamiento dinámico: Actúa a partir del momento en que el cuerpo se desliza sobre la superficie.
La Tensión
La tensión es la fuerza que se transmite a lo largo de una cuerda o cable cuando se ejerce una fuerza sobre uno de sus extremos.
- Al realizar diagramas de fuerzas, debemos recordar que la tensión que se transmite por cuerdas y cables siempre tira del objeto al que están unidos. Es lo que sucede cuando un cuerpo en movimiento, unido a otro mediante una cuerda, provoca el desplazamiento de este último.
- En muchas ocasiones, por simplicidad, se considera que las cuerdas o cables son inextensibles y de masa despreciable: aunque al ejercer una fuerza sobre ellos siempre se producirá una deformación, esta es muy pequeña en comparación con la longitud de la cuerda; asimismo, tienen una masa mucho menor que la de los cuerpos a los que están unidos.
- Cuando la fuerza con que se tira de una cuerda o cable es mayor que la máxima tensión que es capaz de soportar, la cuerda o el cable se rompe.
- No existen fórmulas específicas para calcular la tensión: se determina de modo indirecto a partir de la aplicación de la segunda ley de Newton.
La Fuerza Elástica y la Ley de Hooke
Los objetos elásticos son aquellos que se deforman debido a la acción de una fuerza (por ejemplo, un muelle o una pelota de caucho), pero recuperan su forma inicial una vez que cesa esta. Fue el científico inglés Robert Hooke (1635-1703) quien estableció de manera experimental las características de esta fuerza cuando su valor no es excesivamente grande:
- La deformación de un objeto elástico es directamente proporcional a la fuerza que se ha ejercido sobre él.
- De acuerdo con la tercera ley de Newton, la fuerza elástica con que este objeto responde a la fuerza que lo deforma tiene siempre sentido contrario a la deformación.
La ley de Hooke explica el funcionamiento de los dinamómetros, aparatos que sirven para medir fuerzas. Están formados por un muelle o resorte de constante elástica conocida junto con una escala graduada que marca la fuerza con que se ha deformado el muelle, en función de su elongación.
Dinámica del Movimiento Circular Uniforme
El movimiento circular uniforme (MCU) se caracteriza por:
- Su trayectoria es una circunferencia de radio R.
- El valor de la velocidad permanece constante, aunque su dirección y sentido cambian constantemente, pues es siempre tangente a la trayectoria.
- La aceleración tangencial es nula, pues el valor de la velocidad no cambia. Sin embargo, sí existe aceleración centrípeta (también llamada aceleración normal o radial), ya que la dirección y el sentido de la velocidad cambian durante el movimiento.
La fuerza centrípeta es la fuerza neta ejercida sobre un objeto que describe un movimiento circular. Va dirigida desde el objeto hacia el centro de su trayectoria circular.
Interacciones Fundamentales: Gravitación y Electrostática
La Ley de Gravitación Universal de Newton
Dos partículas materiales cualesquiera del universo se atraen entre sí con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
- La masa es la propiedad de la materia que origina la existencia de fuerzas gravitatorias atractivas entre los cuerpos.
- El signo negativo de la expresión matemática indica que la fuerza gravitatoria tiene sentido contrario al vector unitario: es de carácter atractivo.
- La constante de proporcionalidad, G, o constante de gravitación universal tiene el mismo valor en cualquier lugar del universo. Un siglo después de ser enunciada esta ley, Henry Cavendish (1731-1810), con ayuda de una balanza de torsión, determinó experimentalmente su valor. Actualmente se toma el valor 6,67 · 10-11 N · m2 · kg-2.
- Este valor tan pequeño de G explica por qué las fuerzas gravitatorias son de escasa intensidad entre cuerpos de masas relativamente pequeñas y de gran intensidad entre cuerpos de gran masa, como planetas, satélites, etc.
El Campo Gravitatorio
Un campo es la perturbación que una partícula produce en el espacio que la rodea y que hace que otra partícula de las mismas características se vea afectada por la presencia de la primera.
El campo gravitatorio es una perturbación que una partícula genera a su alrededor por el hecho de tener masa, y que actúa sobre cualquier otra masa cercana a ella.
Electrización y Carga Eléctrica
Al acercar dos trozos de ámbar o plástico, tras haberlos frotado con lana (o dos de vidrio después de frotarlos con seda), se repelen entre sí. Si se acercan un trozo de ámbar (o plástico) y otro de vidrio, previamente frotados, hay una fuerza atractiva entre ambos. Este fenómeno se denomina electrización.
Benjamin Franklin admitía la existencia de un fluido eléctrico sin masa. Según él, la electrización positiva (o vítrea) se debía a un exceso del fluido eléctrico y la negativa (o resinosa), a su ausencia.
Propiedades de la Carga Eléctrica
- Pueden ser de dos tipos: positivas o negativas. Las cargas del mismo signo se repelen y las de signo contrario se atraen.
- La unidad de carga eléctrica en el SI es el culombio (C).
- La carga eléctrica está cuantizada: la carga de cualquier cuerpo es un múltiplo entero de la unidad de carga elemental de valor e = 1,602 · 10-19 C.
- La carga eléctrica puede pasar de un cuerpo a otro, pero nunca puede crearse ni destruirse (principio de conservación de la carga eléctrica).
Tipos de Electrización
- Electrización por frotamiento: Al frotar dos cuerpos, pasan electrones de uno a otro. El cuerpo que gana electrones queda con carga negativa, y el que los pierde, con carga positiva.
- Electrización por inducción: Al aproximar un cuerpo cargado eléctricamente a un cuerpo neutro (sin carga neta), el cuerpo cargado provoca la redistribución de las cargas del cuerpo neutro por atracción o repulsión, de modo que su carga total no varía, pero una zona queda con carga positiva y otra con carga negativa. Esta es la causa de que el ámbar y el vidrio puedan atraer pequeños objetos.
La Ley de Coulomb y el Campo Eléctrico
La fuerza electrostática de atracción o de repulsión entre dos cargas eléctricas en reposo es directamente proporcional al producto de ambas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
- La propiedad de la materia que origina la existencia de fuerzas electrostáticas es la carga.
- La fuerza electrostática es atractiva cuando las cargas tienen signos contrarios (ya que F12 y F21 son opuestas, respectivamente, a u12 y u21). La fuerza electrostática es repulsiva si las cargas tienen el mismo signo.
- La constante de proporcionalidad, K, se llama constante de Coulomb y depende del medio en que se encuentren las cargas. En el vacío, su valor es, en unidades del SI, K = 9 · 109 N · m2 · C-2.
- El elevado valor de K comparado con el de la constante de gravitación universal, G, es un reflejo de la mayor intensidad de la fuerza eléctrica en comparación con la gravitatoria.
- La fuerza electrostática cumple el llamado principio de superposición: la fuerza eléctrica total que varias cargas ejercen sobre una carga dada es igual a la suma vectorial de las fuerzas que cada una de ellas ejerce por separado.
El Campo Eléctrico
El campo eléctrico es la perturbación que genera una carga eléctrica en el espacio, de modo que cualquier otra carga eléctrica que se encuentre en sus inmediaciones nota sus efectos.
Conclusión: La Relevancia de las Leyes Fundamentales
Las leyes tratadas en este documento, como las leyes de Kepler, la ley de gravitación universal de Newton y la ley de Coulomb, constituyen una parte fundamental de una formación científica básica, siendo pilares para la comprensión del universo físico.