FÍSICA
lunes, 27 de abril de 2015
Postulados de la segunda ley de Newton
Postulados de la segunda ley de
Newton
Las leyes de Newton,
también conocidas como leyes del movimiento de Newton,1 son
tres principios a partir de los cuales se explican la mayor parte de los
problemas planteados por la mecánica,
en particular, aquellos relativos almovimiento de los cuerpos. Revolucionaron
los conceptos básicos de la física y el movimiento de los cuerpos en el
universo.
Constituyen los
cimientos no sólo de la dinámica clásica sino también de la física clásica en
general. Aunque incluyen ciertas definiciones y en cierto sentido pueden verse
como axiomas, Newton afirmó que estaban basadas en observaciones y experimentos
cuantitativos; ciertamente no pueden derivarse a partir de otras relaciones más
básicas. La demostración de su validez radica en sus predicciones... La validez
de esas predicciones fue verificada en todos y cada uno de los casos durante
más de dos siglos.2
En concreto, la relevancia de estas
leyes radica en dos aspectos:
·
Por un lado, constituyen, junto con la transformación de Galileo, la base de lamecánica clásica;
·
Por otro, al combinar estas leyes con la Ley de la
gravitación universal, se pueden deducir y explicar las Leyes de Kepler sobre
el movimiento planetario.
Así, las Leyes de Newton permiten
explicar tanto el movimiento de los astros, como los movimientos de los proyectiles artificiales
creados por el ser humano, así como toda la mecánica de funcionamiento de
las máquinas.
Su formulación matemática fue publicada
por Isaac Newton en 1687 en su obra Philosophiae Naturalis Principia
Mathematica.3
La dinámica de Newton, también
llamada dinámica clásica, sólo se cumple en los sistemas de
referencia inerciales (que se mueven a velocidad constante; la
Tierra, aunque gire y rote, se trata como tal a efectos de muchos experimentos
prácticos). Solo es aplicable a cuerpos cuya velocidad dista considerablemente
de la velocidad de la luz (que no se acerquen a
los 300 000 km/s); la razón estriba en que cuanto más cerca esté un
cuerpo de alcanzar esa velocidad (lo que ocurriría en lossistemas de referencia no-inerciales),
más posibilidades hay de que incidan sobre el mismo una serie de fenómenos
denominados efectos relativistas o fuerzas ficticias,
que añaden términos suplementarios capaces de explicar el movimiento de un
sistema cerrado de partículas clásicas que interactúan entre sí. El estudio de
estos efectos (aumento de la masa y contracción de la longitud,
fundamentalmente) corresponde a la teoría de la relatividad especial,
enunciada por Albert Einstein en 1905.
La segunda ley del movimiento de Newton
dice:
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.7
En las palabras originales de Newton:
Mutationem motus
proportionalem esse vi motrici impressæ, & fieri secundum lineam rectam qua
vis illa imprimitur.6
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. En concreto, los cambios experimentados en
el momento lineal de un cuerpo son
proporcionales a la fuerza motriz y se desarrollan en la dirección de esta; las
fuerzas son causas que producen aceleraciones en los cuerpos. Consecuentemente,
hay relación entre la causa y el efecto, la fuerza y la aceleración
están relacionadas. Dicho sintéticamente, la fuerza se define simplemente en
función del momento que se aplica a un objeto, con lo que dos fuerzas serán
iguales si causan la misma tasa de cambio en el momento del objeto.
En la mayoría de las ocasiones hay más
de una fuerza actuando sobre un objeto, en este caso es necesario determinar
una sola fuerza equivalente ya que de ésta depende la aceleración resultante.
Dicha fuerza equivalente se determina al sumar todas las fuerzas que actúan
sobre el objeto y se le da el nombre de fuerza neta. 8
En términos matemáticos esta ley se expresa
mediante la relación:
Donde:
es el momento
lineal
la fuerza total
o fuerza resultante.
Suponiendo que la masa es constante y
que la velocidad es muy inferior a la velocidad de la luz9 la
ecuación anterior se puede reescribir de la siguiente manera:
Sabemos que es el momento
lineal, que se puede escribir m.V donde m es la masa del cuerpo
y V su velocidad.
Consideramos a la masa constante y
podemos escribir aplicando
estas modificaciones a la ecuación anterior:
La fuerza es el
producto de la masa por
la aceleración, que es la ecuación fundamental de la dinámica,
donde la constante de proporcionalidad, distinta para cada cuerpo, es su masa de inercia.
Veamos lo siguiente, si despejamos m de la ecuación anterior obtenemos que m es
la relación que existe entre y . Es decir la
relación que hay entre la fuerza aplicada al cuerpo y la aceleración obtenida.
Cuando un cuerpo tiene una gran resistencia a cambiar su aceleración (una gran
masa) se dice que tiene mucha inercia. Es por esta razón por la que la masa se
define como una medida de la inercia del cuerpo.
Por tanto, si la fuerza resultante que
actúa sobre una partícula no es cero, esta partícula tendrá una aceleración
proporcional a la magnitud de la resultante y en dirección de ésta. La
expresión anterior así establecida es válida tanto para la mecánica clásica como para la mecánica relativista, a pesar de que la
definición de momento lineal es diferente en las dos teorías: mientras que la
dinámica clásica afirma que la masa de un cuerpo es siempre la misma, con
independencia de la velocidad con la que se mueve, la mecánica relativista
establece que la masa de un cuerpo aumenta al crecer la velocidad con la que se
mueve dicho cuerpo.
De la ecuación fundamental se deriva
también la definición de la unidad de fuerza o newton (N).
Si la masa y la aceleración valen 1, la fuerza también valdrá 1; así, pues, el
newton es la fuerza que aplicada a una masa de un kilogramo le produce una
aceleración de 1 m/s². Se entiende que la aceleración y la fuerza han de tener
la misma dirección y sentido.
La importancia de esa ecuación estriba
sobre todo en que resuelve el problema de la dinámica de determinar la clase de
fuerza que se necesita para producir los diferentes tipos de movimiento: rectilíneo uniforme (m.r.u), circular uniforme (m.c.u) y uniformemente acelerado (m.r.u.a).
Si sobre el cuerpo actúan muchas
fuerzas, habría que determinar primero el vector suma de todas esas fuerzas.
Por último, si se tratase de un objeto que cayese hacia la tierra con una
resistencia del aire igual a cero, la fuerza sería su peso, que provocaría una
aceleración descendente igual a la de la gravedad.
TIPOS DE FENÓMENOS FÍSICOS, ORIGEN DE LOS FENÓMENOS
TIPOS DE FENÓMENOS FÍSICOS, ORIGEN DE LOS FENÓMENOS
Los fenómenos físicos son aquellos en los cuales no se produce un cambio en
la estructura del cuerpo, este sigue siendo el mismo después de producido el
fenómeno.Los tipos de fenómenos físicos pueden originarse por las siguientes
causas:
- MOVIEMIENTO: se produce por el desplazamiento de los cuerpos, en lo que se denomina
fenómenos mecánicos. Tenemos como ejemplos: el vuelo de las aves, la caída
de los cuerpos, el choque entre dos cuerpos, etc. Estos fenómenos son
estudiados por la mecánica.
- CALOR:
se origina en la agitación de las moléculas de un cuerpo, en lo que se
llama fenómenos calóricos. Por ejemplo: para hervir agua, se necesita
calor que agite las moléculas del agua hasta que estas se convierten en
vapor. Estos fenómenos los estudia la Calorimetría, y a nivel más
- avanzado
la termodinámica
- SONIDO: la vibración
de un cuerpo elástico produce el sonido. A este efecto se lo denomina
fenómenos acústicos, que los estudia la Acústica. Por ejemplo, cuando
tocas la guitarra vibran las cuerdas y se escucha el sondo.
- LUZ: los
fenómenos luminosos se producen por la incidencia de la luz sobre los
objetos, lo cual nos permite verlos y distinguirlos claramente. Los
estudia la Óptica.
- MAGNETISMO: es la
propiedad que tienen ciertos materiales de atraer metales como el hierro.
A esto se denomina fenómeno magnético.
- ELECTROMAGNETISMO: su
origen está en que al pasar corriente eléctrica por un alambre conductor,
este adquiere propiedades magnéticas.
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