El movimiento de diferentes cuerpos en el espacio en física se estudia en una sección especial: la mecánica. Este último, a su vez, se divide en cinemática y dinámica. En este artículo, consideraremos las leyes de la mecánica en la física, centrándonos en la dinámica del movimiento de traslación y rotación de los cuerpos.
Antecedentes históricos
Cómo y por qué se mueven los cuerpos ha sido de interés para los filósofos y científicos desde la antigüedad. Entonces, Aristóteles creía que los objetos se mueven en el espacio solo porque hay alguna influencia externa sobre ellos. Si se detiene este efecto, el cuerpo se detendrá inmediatamente. Muchos filósofos griegos antiguos creían que el estado natural de todos los cuerpos es el reposo.
Con el advenimiento de la Nueva Era, muchos científicos comenzaron a estudiar las leyes del movimiento en la mecánica. Cabe señalar nombres como Huygens, Hooke y Galileo. Este último desarrolló un enfoque científico para el estudio de los fenómenos naturales y, de hecho, descubrió la primera ley de la mecánica, que, sin embargo, no lleva su apellido.
En 1687, se publicó una publicación científica, escrita porel inglés isaac newton. En su trabajo científico, formuló claramente las leyes básicas del movimiento de los cuerpos en el espacio, las cuales, junto con la ley de la gravitación universal, formaron la base no solo de la mecánica, sino de toda la física clásica moderna.
Acerca de las leyes de Newton
También se les llama leyes de la mecánica clásica, en contraste con la relativista, cuyos postulados fueron establecidos a principios del siglo XX por Albert Einstein. En el primero, solo hay tres leyes principales en las que se basa toda la rama de la física. Se llaman así:
- Ley de la inercia.
- La ley de la relación entre fuerza y aceleración.
- La ley de acción y reacción.
¿Por qué estas tres leyes son las principales? Es simple, de ellos se puede derivar cualquier fórmula de la mecánica, sin embargo, ningún principio teórico conduce a ninguno de ellos. Estas leyes se derivan exclusivamente de numerosas observaciones y experimentos. Su validez está confirmada por la fiabilidad de las predicciones obtenidas con la ayuda de ellos para resolver varios problemas en la práctica.
Ley de inercia
La primera ley de Newton en mecánica dice que cualquier cuerpo en ausencia de una influencia externa sobre él mantendrá un estado de reposo o movimiento rectilíneo en cualquier marco de referencia inercial.
Para entender esta ley, uno debe entender el sistema de informes. Se llama inercial solo si satisface la ley establecida. En otras palabras, en el sistema inercial no hayhay fuerzas ficticias que serían sentidas por los observadores. Por ejemplo, un sistema que se mueve uniformemente y en línea recta puede considerarse inercial. Por otro lado, un sistema que gira uniformemente alrededor de un eje no es inercial debido a la presencia de una fuerza centrífuga ficticia en él.
La ley de la inercia establece la razón por la que cambia la naturaleza del movimiento. Esta razón es la presencia de una fuerza externa. Tenga en cuenta que varias fuerzas pueden actuar sobre el cuerpo. En este caso, deben sumarse según la regla de los vectores, si la fuerza resultante es igual a cero, entonces el cuerpo continuará su movimiento uniforme. También es importante entender que en la mecánica clásica no hay diferencia entre el movimiento uniforme de un cuerpo y su estado de reposo.
Segunda Ley de Newton
Él dice que la razón para cambiar la naturaleza del movimiento del cuerpo en el espacio es la presencia de una fuerza externa distinta de cero que se le aplica. De hecho, esta ley es una continuación de la anterior. Su notación matemática es la siguiente:
F¯=ma¯.
Aquí, la cantidad a¯ es la aceleración que describe la tasa de cambio del vector velocidad, m es la masa inercial del cuerpo. Dado que m siempre es mayor que cero, los vectores de fuerza y aceleración apuntan en la misma dirección.
La ley considerada es aplicable a una gran cantidad de fenómenos en mecánica, por ejemplo, a la descripción del proceso de caída libre, movimiento con la aceleración de un automóvil, deslizamiento de una barra a lo largo de un plano inclinado, oscilación de un péndulo,la tensión de las escalas de resorte y así sucesivamente. Es seguro decir que es la principal ley de la dinámica.
Impulso e ímpetu
Si te diriges directamente al trabajo científico de Newton, puedes ver que el científico mismo formuló la segunda ley de la mecánica de manera algo diferente:
Fdt=dp, donde p=mv.
El valor p se llama impulso. Muchos lo llaman erróneamente el impulso del cuerpo. La cantidad de movimiento es una característica de energía inercial igual al producto de la masa del cuerpo por su velocidad.
Sólo se puede cambiar la cantidad de movimiento por algún valor dp mediante una fuerza externa F que actúa sobre el cuerpo durante el intervalo de tiempo dt. El producto de una fuerza y la duración de su acción se denomina impulso de la fuerza o simplemente impulso.
Cuando dos cuerpos chocan, una fuerza de colisión actúa entre ellos, lo que cambia el momento de cada cuerpo, sin embargo, como esta fuerza es interna con respecto al sistema de dos cuerpos en estudio, no conduce a un cambio en la cantidad de movimiento total del sistema. Este hecho se llama la ley de conservación de la cantidad de movimiento.
Gira con aceleración
Si se aplica la ley de la mecánica formulada por Newton al movimiento de rotación, entonces se obtendrá la siguiente expresión:
M=Yoα.
Aquí M - momento angular - este es un valor que muestra la capacidad de la fuerza para dar un giro en el sistema. El momento de la fuerza se calcula como el producto del vector fuerza y el radio vector dirigido desde el eje haciapunto de aplicación La cantidad I es el momento de inercia. Al igual que el momento de la fuerza, depende de los parámetros del sistema giratorio, en particular, de la distribución geométrica de la masa del cuerpo con respecto al eje. Finalmente, el valor α es la aceleración angular, que te permite determinar en cuántos radianes por segundo cambia la velocidad angular.
Si observa cuidadosamente la ecuación escrita y establece una analogía entre sus valores y los indicadores de la segunda ley de Newton, obtendremos su identidad completa.
La ley de acción y reacción
Queda por considerar la tercera ley de la mecánica. Si los dos primeros, de una forma u otra, fueron formulados por los predecesores de Newton, y el científico mismo solo les dio una forma matemática armoniosa, entonces la tercera ley es la creación original del gran inglés. Entonces, dice: si dos cuerpos entran en contacto de fuerza, entonces las fuerzas que actúan entre ellos son iguales en magnitud y opuestas en dirección. Más brevemente, podemos decir que cualquier acción provoca una reacción.
F12¯=-F21¯.
Aquí F12¯ y F21¯ - actuando del lado del 1.er cuerpo al 2.º y del lado del 2.º a 1.ª fuerza, respectivamente.
Hay muchos ejemplos que confirman esta ley. Por ejemplo, durante un s alto, una persona es repelida desde la superficie de la tierra, esta última lo empuja hacia arriba. Lo mismo ocurre con caminar con un andador y empujar la pared de la piscina de un nadador. Otro ejemplo, si presiona la mano sobre la mesa, se siente lo contrario.el efecto de la mesa sobre la mano, que se denomina fuerza de reacción del soporte.
Al resolver problemas sobre la aplicación de la tercera ley de Newton, no se debe olvidar que la fuerza de acción y la fuerza de reacción se aplican a cuerpos diferentes, por lo que les dan aceleraciones diferentes.
