Cuarta semana del tercer periodo grado décimo

Tercera semana del tercer periodo grado décimo

Dinámica

La dinámica es la parte de la física que estudia la relación existente entre las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y los efectos que se producirán sobre el movimiento de ese cuerpo.

Los antiguos pensadores griegos creían que la velocidad y la constancia del movimiento en la línea recta de un cuerpo (fenómeno descripto años más tarde como movimiento rectilíneo uniforme o MRU) estaban proporcionalmente relacionadas con una fuerza constante. Por extensión, se creía que la caída de un cuerpo pertenecía a esa categoría, por lo que se suponía que caería más rápido el cuerpo que más pesara.

Luego, Galileo Galilei entendió que la caída de los cuerpos no podía ser un movimiento uniforme, y que desde una misma altura, dos cuerpos de distinto peso tardan lo mismo en caer. Este contexto fue lo que posibilitó que algunos años después, Isaac Newton estableciera las tres leyes fundamentales de la dinámica, que explicaban las pautas fundamentales del comportamiento de los cuerpos.

Las leyes de Newton

• El principio de inercia: Indica que cuando un cuerpo está en reposo, o describe un movimiento de las características de MRU, las fuerzas que se aplican sobre él tiene una resultante nula. Hay que tener mucho cuidado en este caso, ya que influyen, por ejemplo, la fuerza de rozamiento. Cuando las fuerzas se equilibren realmente podrá darse el MRU.

• La fuerza es igual a la masa por la aceleración: Esta es la fórmula fundamental de la dinámica, y llega a partir de suponer un cuerpo en reposo sobre una superficie horizontal, que es sujeto a una fuerza paralela a esa superficie, pudiéndose prescindir del rozamiento: veremos que el cuerpo se pone en movimiento a una aceleración constante. Si se le aplica otra fuerza de mayor intensidad, la aceleración variará proporcionalmente.
  De este modo se llega a esa fórmula, y se puede establecer la unidad internacional de fuerza, el Newton (N), definida como la fuerza que impulsa a una masa de un kilogramo con una aceleración de un metro por segundo al cuadrado.

• Ley de acción y reacción: Siempre que un cuerpo ejerza una fuerza sobre otro, este segundo ejerce una contraria de igual intensidad y dirección pero sentido contrario sobre el primero. El primer ejemplo es el de un cuerpo que pese sobre una superficie, que recibirá de esa la acción de una fuerza que opone a la de atracción que la tierra ejerce sobre él.

Estas leyes son las leyes fundamentales de la dinámica, que aplican fundamentalmente sobre el movimiento rectilíneo uniforme. Sin embargo, también existe una dinámica del movimiento circular, que sucede cuando se puede mantener la fuerza que se aplica sobre un cuerpo constantemente en módulo, perpendicular a la dirección del movimiento. Esto se produce, por ejemplo, en el caso de la fuerza de atracción constante del Sol sobre un planeta, lo que evita que este ejerza un movimiento rectilíneo en vez de la órbita.

Sin embargo, existe también el análisis de los comportamientos de los cuerpos cuando intervienen diversas partículas, además de las fuerzas mencionadas. La parte de la física que usa métodos estadísticos para estudiar el comportamiento global de los sistemas es la termodinámica.

Cuenta con una serie de principios, entre los que pueden mencionarse el equilibrio térmico, es decir, la igualdad entre el calor recibido y el emitido por el cuerpo, logrado mediante el intercambio de calor. También se dice que la energía no se produce ni se destruye, sino que se transforma, imposibilitando la producción de trabajo sin el consumo de energía, y a partir de ello surge  que no se podrá transformar totalmente el calor en trabajo, existiendo siempre una pérdida.

Hay también un uso coloquial del término, que se aplica para hablar simbólicamente de las cosas que están en movimiento. Se puede hablar de la dinámica de procesos políticos, de eventos públicos o de cualquier cosa, para hacer referencia a ‘cómo se fue desarrollando’ por un lapso de tiempo. También, se usa como adjetivo para hablar de las personas que son muy inquietas y que pasan gran parte del tiempo moviéndose.

Segunda semana del tercer periodo grado décimo

Ejemplos de cinemática

La mayoría de los movimientos conocidos sobre la faz de la tierra son buenos ejemplos de los estudios de la cinemática. La caída de un cuerpo, por ejemplo, es un movimiento uniformemente acelerado por la fuerza de gravedad que la Tierra ejerce sobre todos los objetos. Esta fuerza es la que llamamos peso y apunta hacia el centro del planeta.

Fuerza de gravedad o peso

Otro ejemplo es un cuerpo suspendido de un elástico, como un resorte, cuyo movimiento será armónico simple o complejo dependiendo de las fuerzas que ejerzamos sobre él.

Resorte

Por último, el movimiento de las manecillas del reloj o de un objeto suelto dentro de una centrífuga (la ropa en la lavadora, por ejemplo), permite ilustrar el movimiento circular uniforme o acelerado, respectivamente.

Manecillas del reloj

Fuerza centrífuga en una lavadora

Primera semana del tercer periodo grado décimo

Cinemática

La cinemática es una rama de la física que estudia el movimiento de los objetos sólidos y su trayectoria en función del tiempo, sin tomar en cuenta el origen de las fuerzas que lo motivan. Para eso, se toma en consideración la velocidad (el cambio en el desplazamiento por unidad de tiempo) y la aceleración (cambio de velocidad) del objeto que se mueve.

Los orígenes de la cinemática se remontan a la astronomía antigua, cuando astrónomos y filósofos como Galileo Galilei observaban el movimiento de esferas en planos inclinados y en caída libre para entender el movimiento de los astros celestes. Estos estudios, junto a los de Nicolás Copérnico, Tycho Brahe y Johannes Kepler, sirvieron de referencia a Isaac Newton para formular sus tres Leyes del movimiento, y todo ello conjuntamente fundó a principios del siglo XVIII la cinemática moderna.

Las contribuciones de los franceses Jean Le Rond d’Alembert, Leonhard Euler y André-Marie Ampère fueron clave en el establecimiento de esta disciplina, bautizada por Ampère mismo como cinemática (del griego kinéin, desplazar, mover).

La muy posterior postulación de la relatividad por Albert Einstein le daría un vuelco a esta disciplina y fundaría la cinemática relativista, en la que el tiempo y el espacio no son dimensiones absolutas, como sí lo es la velocidad de la luz.

Elementos de la cinemática

Los elementos básicos de la cinemática son tres: espacio, tiempo y un móvil. Debemos tener en consideración que en la mecánica clásica los primeros dos (tiempo y espacio) son dimensiones absolutas, independientes del móvil y previos a su existencia.

El espacio se describe mediante la geometría euclidiana, el tiempo se considera único en cualquier región del universo, y un móvil puede ser un cuerpo cualquiera en movimiento. Los móviles más simples son las partículas (y su estudio abre el campo de la cinemática de partículas), pero más frecuentemente se considera a los sólidos rígidos (análogos a un sistema de partículas y que corresponden a lo que conocemos como cuerpos u objetos).

En ese sentido, la cinemática clásica contempla los siguientes tipos de movimiento:

• Movimiento rectilíneo uniforme. Un cuerpo se desplaza a una velocidad constante v, con aceleración nula en línea recta.

• Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado. Un cuerpo se desplaza a una velocidad que varía linealmente (dado que su aceleración es constante) conforme avanza el tiempo.

• Movimiento armónico simple. Es un movimiento periódico de vaivén en el cual un cuerpo oscila alrededor de un punto de equilibrio en una dirección determinada y en unidades regulares de tiempo.

• Movimiento parabólico. Es la composición de dos movimientos rectilíneos distintos: uno horizontal y de velocidad constante, y otro vertical y uniformemente acelerado.

• Movimiento circular uniforme. Como su nombre lo indica, es el movimiento que traza círculos perfectos en su recorrido, manteniendo invariable el módulo de su velocidad en el tiempo.

• Movimiento circular uniformemente acelerado. Es el movimiento que traza círculos perfectos en su recorrido, pero con una velocidad que varía en módulo en el tiempo.

• Movimiento armónico complejo. Se trata de la combinación de diversos movimientos armónicos simples, en direcciones distintas.

Última semana de clase de física grado décimo

 

Tipos de palanca	Palanca-explicación	Esquema
De primer orden.	El peso (resistencia) de la cabeza es contrarrestado por la acción de la musculatura (fuerza) de la nuca, tomando la columna vertebral como punto de apoyo.
De segundo orden.	El pie se apoya en el suelo; el peso (resistencia) del cuerpo se aplica a través de los huesos de la pierna; y la contracción (fuerza) de los músculos gemelos hace levantar el cuerpo.
De tercer orden	Los huesos del antebrazo se apoyan en la articulación del codo; el músculo bíceps se contrae (fuerza o potencia)y vence el peso (resistencia) del antebrazo

 

PALANCA DE PRIMER GÉNERO 1º género: tienen el punto de apoyo entre la fuerza motriz y la resistencia.

 

PALANCA DE SEGUNDO GÉNERO 2º género: Tienen la resistencia entre el fulcro y la fuerza motriz.

 

 

PALANCA DE TERCER  GÉNERO 3º género: La fuerza motriz está entre el fulcro y la resistencia.

 

 

Cuarta semana de clase de física grado décimo

Palancas

La palanca es una máquina simple compuesta por una barra rígida situada sobre un punto de apoyo denominado fulcro. En el funcionamiento de la palanca intervienen tres fuerzas:

Potencia, P. Se trata de una fuerza que aplicamos voluntariamente en una parte de la barra con el fin de vencer a otra fuerza denominada Resistencia. Su distancia con respecto al punto de apoyo sobre el fulcro se denomina brazo de potencia, B_p.

Resistencia, R. Se trata de una fuerza ejercida sobre la palanca por un cuerpo que generalmente tratamos de mover o deformar mediante la Potencia. Su distancia con respecto al punto de apoyo sobre el fulcro se denomina brazo de resistencia, B_r.

Reacción Normal, N. Es la fuerza ejercida por el fulcro sobre la barra. Si consideramos que la barra no tiene masa, N se obtiene como la suma de las fuerzas P y R.

En la figura se muestra un tipo específico de palanca en equilibrio. Está conformada por una barra apoyada sobre un fulcro (triángulo) que le permite rotar sobre él. Observa que aplicando una potencia relativamente pequeña P en un extremo podemos igualar la resistencia R (cuyo valor es mayor que P y que en este caso coincide con el peso de una caja) dejando la máquina en reposo. Si aumentáramos el valor de P provocaríamos que la caja se levantara con relativo poco esfuerzo.

Ley de la Palanca

Cualquier palanca se encontrará en equilibrio de traslación cuando se cumpla que la fuerza resultante de todas las fuerzas que actúan sobre la barra sea nula:

P→+R→+N→=0

Adicionalmente, la palanca se encontrará en equilibrio de rotación cuando se cumpla que el momento resultante sea nulo. Si consideramos el origen de coordenadas en el fulcro, el momento resultante en ese punto será nulo. Teniendo en cuenta la definición de momento:

⋅Bp+R⋅Br+N⋅0 = 0 ⇒P⋅Bp=R⋅Br

−P⋅Bp+R⋅Br+N⋅0 = 0 

 ⇒P⋅Bp=R⋅Br

Esta última expresión recibe el nombre de ley de la palanca.

La ley de la palanca establece que en cualquier palanca se cumple que el producto de la potencia P por la distancia de su brazo B_p es equivalente al producto de la resistencia R_p por la longitud de su brazo.

Clases de Palancas

Podemos distinguir tres tipos de palancas dependiendo del punto sobre el que se apliquen P y R: las palancas de primer género, segundo género y tercer género.

Palanca de Primer Género

Este tipo de palancas poseen el fulcro situado entre los puntos sobre los que se aplican las fuerzas P y R. Un ejemplo claro de este tipo de palancas son las tijeras, las balanzas, los alicates o las tenazas.

Palanca de Segundo Género

Este tipo de palancas poseen el punto de aplicación de R entre el fulcro y P. Ejemplos de este tipo de palancas son el cascanueces, la carretilla o el abre botellas.

Palanca de Tercer Género

El punto de aplicación de P se encuentra entre el fulcro y R. Ejemplos claros de este tipo de palancas son las pinzas o la caña de pescar.