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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