Conceptos Básicos de Física: Ley de Newton Isaac
Newton (1642 – 1727) Las leyes de Newton se formularon en la obra
Principia Mathematica de Newton, y se tratan de las tres leyes
que forman la base de la física clásica que
dominó el panorama científico durante tres siglos.
Los enunciados de las tres leyes de Newton son los
siguientes:
LEYES DE NEWTON
Primera ley de Newton (Ley de la inercia) Un cuerpo en reposo
continúa en reposo y un cuerpo en movimiento
continúa siguiendo el mismo movimiento a no ser que sobre
él actúe una fuerza. La primera ley especifica que
todo cuerpo continúa en su estado de reposo o de
movimiento rectilíneo uniforme, a menos que actúe
sobre él una fuerza que le obligue a cambiar dicho
estado.
Primera ley de Newton (Ley de la inercia) Este principio
establece que la materia es inerte, en tanto que por sí
misma no puede modificar su estado de reposo o movimiento.
Así, pues, constituye una definición de la fuerza
como causa de las variaciones de velocidad de los cuerpos e
introduce en física el concepto de sistema de referencia
inercia. Un cuerpo en movimiento se mantendrá así
de forma indefinida a no ser que actúe sobre él
alguna fuerza, la realidad es que los cuerpos están
sometidos a la acción de fuerzas de fricción o
rozamiento, que los van frenando progresivamente.
PREVENCIÓN DE RIESGO Primera Ley o Ley de Inercia Cuando
estas tras el volante te encuentras en un estado de inercia
aunque el vehículo este en movimiento, al chocar contra un
objeto (un muro u otro vehículo), entraras en un
movimiento que es detenido por el airbag o EPP.
Segunda ley de Newton (Principio Fundamental de la
Dinámica) La Primera ley de Newton nos dice que para que
un cuerpo altere su movimiento es necesario que exista algo que
provoque dicho cambio. Ese algo es lo que conocemos como fuerzas.
Estas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre
otros. La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el
concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un
cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho
cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo,
de manera que podemos expresar la relación de la siguiente
manera: F = m a
Segunda ley de Newton (Principio Fundamental de la
Dinámica) 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
Segunda ley de Newton (Principio Fundamental de la
Dinámica) La unidad de fuerza en el Sistema Internacional
es el Newton y se representa por N. Un Newton es la fuerza que
hay que ejercer sobre un cuerpo de un kilogramo de masa para que
adquiera una aceleración de 1 m/s2, o sea, 1 N = 1 Kg.
· 1 m/s2 La expresión de la Segunda ley de Newton
que hemos dado es válida para cuerpos cuya masa sea
constante. Si la masa varia, como por ejemplo un cohete que va
quemando combustible, no es válida la relación F =
m · a. Vamos a generalizar la Segunda ley de Newton para
que incluya el caso de sistemas en los que pueda variar la
masa.
Segunda ley de Newton (Principio Fundamental de la
Dinámica) Para ello primero vamos a definir una magnitud
física nueva. Esta magnitud física es la cantidad
de movimiento que se representa por la letra p y que se define
como el producto de la masa de un cuerpo por su velocidad, es
decir: p = m · v
Medio AmbienteSegunda ley o Principio Fundamental de la
Dinámica La energía eólica es una de las
maneras en que se aplica la segunda ley de Newton, la fuerza que
ejerce el viento sobre las alises produce el movimiento necesario
para producir energía.
Tercera ley de Newton (Ley de acción-reacción) Tal
como comentamos la Segunda ley de Newton las fuerzas son el
resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros. 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.
Tercera ley de Newton (Ley de acción-reacción) Por
lo tanto, cada fuerza que actúa sobre un cuerpo,
éste realiza una fuerza de igual intensidad y
dirección pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la
produjo. Dicho de otra forma, las fuerzas siempre se presentan en
pares de igual magnitud, sentido opuesto y están situadas
sobre la misma recta. Este principio presupone que la
interacción entre dos partículas se propaga
instantáneamente en el espacio (lo cual requeriría
velocidad infinita), y en su formulación original no es
válido para fuerzas electromagnéticas puesto que
estas no se propagan por el espacio de modo instantáneo
sino que lo hacen a velocidad finita "c".
Tercera ley de Newton (Ley de acción-reacción) 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. Cuando estamos en una piscina y
empujamos a alguien, nosotros también nos movemos en
sentido contrario. Esto se debe a la reacción que la otra
persona hace sobre nosotros, aunque no haga el intento de
empujarnos a nosotros.
Tercera ley de Newton (Ley de acción-reacción) Hay
que destacar que, aunque los pares de acción y
reacción tenga el mismo valor y sentidos contrarios, no se
anulan entre si, puesto que actúan sobre cuerpos
distintos.
Prevención de RiesgosTercera ley o Principio de
acción-reacción
2 momentum lineal
Para una partícula Momentum Lineal Para un sistema de
particulas 2da Ley
El Momentum es un Vector
Condiciones: Un sistema aislado (Fneta, ext.= 0) y cerrado.
Conservación de Momentum Es una ecuación vectorial
así que representa varias ecuaciones algebraicas, una por
cada componente. Si la fuerza neta tiene un componente pero no
otro, entonces el momentum total no se conserva pero se conserva
el componente del momentum a lo largo del eje para el cual el
componente de la fuerza es cero.
Ejemplo – Una Nave Espacial Emite Carga. Conocemos vi , y la
velocidad relativa final. La masa de la carga es 20%. Buscar la
velocidad final de la nave con respecto al sol. Usaremos H para
la nave, M para el módulo de carga, S para el Sol.
El Centro de Masa Un Punto Especial Su movimiento representa el
movimiento general de un objeto compuesto. Veremos que podemos
entender su movimiento de una manera
“sencilla”.
El Centro de Masa de Un Objeto Sólido Pero, en la
práctica, no usaremos estas ecuaciones. Son sólo
para permitirnos entender que el CM corresponde al centro
geométrico de un objeto de densidad uniforme. Lo que
sí usaremos en la práctica es la simetría
del objeto (si es que la tiene). El CM queda en el punto, linea o
plano de simetría de un objeto. Otra técnica
útil es reemplazar partes del objeto por puntos
localizados en sus respectivos CMs y con las masas
correspondientes.
Es cero porque es el centro del sistema compuesto que es el
círculo grande. = 0 Llamar (xP, yP ) al CM de una placa
con un hoyo. Encuentro yP = 0 por simetría!!! Tratar como
si fuese un sistema compuesto por dos partículas. xS = -R
porque es el centro del círculo chiquito. AreaS = p R2,
AreaS+P = p (2R)2, AP=AS+P- AS = 3p R2 Combinándolo todo
xP = R/3
3 Trabajo, Energía, Potencia, rendimiento
Trabajo Es una cantidad escalar igual al producto de la magnitud
del desplazamiento y la componente de la fuerza en
dirección del desplazamiento. Se deben de cumplir tres
requisitos: 1.- Debe haber una fuerza aplicada 2.-La fuerza debe
ser aplicada a través de cierta distancia (desplazamiento)
3.-La fuerza debe tener una componente a lo largo del
desplazamiento
Donde Ft es la componente de la fuerza a lo largo del
desplazamiento, ds es el módulo del vector desplazamiento
dr, y q el ángulo que forma el vector fuerza con el
vector desplazamiento. El trabajo total a lo largo de la
trayectoria entre los puntos A y B es la suma de todos los
trabajos infinitesimales Su significado geométrico es el
área bajo la representación gráfica de la
función que relaciona la componente tangencial de la
fuerza Ft, y el desplazamiento s.
Ejemplo: Calcular el trabajo necesario para estirar un muelle 5
cm, si la constante del muelle es 1000 N/m. La fuerza necesaria
para deformar un muelle es F=1000·x N, donde x es la
deformación. El trabajo de esta fuerza se calcula mediante
la integral El área del triángulo de la figura es
(0.05·50)/2=1.25 J Cuando la fuerza es constante, el
trabajo se obtiene multiplicando la componente de la fuerza a lo
largo del desplazamiento por el desplazamiento.
W=Ft·s
Ejemplo: Calcular el trabajo de una fuerza constante de 12 N,
cuyo punto de aplicación se traslada 7 m, si el
ángulo entre las direcciones de la fuerza y del
desplazamiento son 0º, 60º, 90º, 135º,
180º.
Si el cuerpo se desplaza horizontalmente (1 metro) y se ejerce un
trabajo perpendicular a ella (100 newton), el trabajo realizado
por esta fuerza es: Desplazamiento fuerza
O sea el cargar el peso de la mochila horizontalmente, no se hace
trabajo, porque la fuerza (el peso) y el desplazamiento son
perpendiculares Desplazamiento Fuerza
Siendo ? el ángulo entre los vectores fuerza y
desplazamiento.
Trabajo Resultante Cuando varias fuerzas ejercen trabajo, hay que
distinguir entre trabajo positivo y negativo. Si la Fuerza y
desplazamiento son en el mismo sentido, el trabajo es positivo.
Si se ejercen en sentido contrario, el trabajo es negativo.
EJEMPLO: La fuerza que ejerce el hombre hace trabajo positivo
cuando la caja sube. La fuerza que ejerce el hombre hace trabajo
negativo cuando la caja baja. La fuerza de gravedad hace trabajo
positivo cuando la caja baja La fuerza de gravedad hace trabajo
negativo cuando la caja sube.
Trabajo Resultante es la suma algebraica de los trabajos
individuales que se ejercen por varias fuerzas en un mismo
cuerpo. (Es igual al trabajo de la fuerza neta). Trabajo y
Energía Relación entre trabajo y energía
También se llama trabajo a la energía usada para
deformar o desplazar un cuerpo venciendo una resistencia o
aceleración o, en general, para alterar la energía
de cualquier sistema físico. El concepto de trabajo
está ligado íntimamente al concepto de
energía, midiéndose ambas magnitudes en la misma
unidad: el julio (joule en inglés). Esta relación
puede verse en el hecho que, del mismo modo que existen distintas
definiciones de energía en mecánica y
termodinámica, también existen distintas
definiciones de trabajo en cada rama de la física. Es una
magnitud de gran importancia para establecer relaciones entre las
distintas ramas de la física. Trabajo y energía son
conceptos que empezaron a utilizarse cuando se abordó el
estudio del movimiento de los cuerpos.
Trabajo y energía en Mecánica Si se realiza un
trabajo sobre una partícula, ésta adquiere esa
misma cantidad de energía, habitualmente su energía
cinética (este es el teorema del trabajo y la
energía o teorema de las fuerzas vivas): Por ejemplo, si
un cuerpo se está moviendo por un plano horizontal con una
energía cinética de 8 J (Joules) y recibe en el
sentido de su movimiento una fuerza de 4 N (Newtons) constante
durante 10 m, alcanzará una energía cinética
de 48 J.
Nótese que una fuerza perpendicular al desplazamiento no
hace variar la energía cinética de la
partícula. Éste es el caso de la fuerza
magnética, que curva la trayectoria pero mantiene
constante el módulo de la velocidad. Por ejemplo: si una
persona mantiene un bulto a una distancia de 1.5m del suelo y
camina 3 metros, el trabajo realizado es cero, dado que
ángulo que se forma entre el desplazamiento y la fuerza es
90º Por otra parte, si tenemos una fuerza conservativa, el
trabajo que realiza es la variación con signo negativo de
la energía potencial: Lo cual no es más que una
consecuencia del teorema fundamental del cálculo, ya que
una fuerza conservativa y una energía potencial asociada a
esta se relacionan por:
Trabajo y energía en Termodinámica Trabajo de
frontera : El trabajo de frontera es aquel que se realiza en un
sistema de volumen variable. En un diagrama P-V es el área
bajo la curva del comportamiento del sistema. La ecuación
matemática es:
En caso de que el sistema esté sometido a presión
constante durante el proceso, el trabajo de frontera es: El
principio de conservación de la energía relaciona
el trabajo realizado en un gas, con la energía interna del
sistema y el calor transferido, de la siguiente forma:
“Mientras se realiza trabajo sobre el cuerpo, se produce
una energía”
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