Conceptos clave de fuerza, elasticidad y movimiento circular uniforme

Fuerza, Elasticidad y Ley de Hooke

Fuerza: Es toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo, o de producir una deformación en él.

Elasticidad: Propiedad general de la materia que permite a los cuerpos deformarse cuando están sometidos a una fuerza y recuperar su forma inicial cuando la causa de la deformación desaparece.

Ley de Hooke: La deformación de un cuerpo elástico es directamente proporcional a la fuerza que la produce (F = k·Δl). Dos fuerzas tienen el mismo valor si, aplicadas a un mismo muelle, producen igual deformación. Una fuerza es n veces mayor que otra si, aplicada al mismo muelle, produce una deformación n veces mayor que la originada por la otra.

Composición de Fuerzas

Fuerza resultante: Es aquella que puede reemplazar a todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo produciendo el mismo efecto.

Composición de fuerzas: Operación que consiste en determinar la fuerza resultante de la acción de las otras.

Leyes de Newton

Primera Ley de Newton (Ley de Inercia)

Todo cuerpo permanece en estado de reposo o en movimiento rectilíneo uniforme (MRU) mientras no actúe sobre él una fuerza neta (varias fuerzas pueden estar actuando sobre un cuerpo, pero si la resultante es nula, no hay fuerza neta). La inercia es la tendencia de un cuerpo a mantener su estado de reposo o de movimiento. Una interacción es cualquier mecanismo por el que dos o más cuerpos modifican su estado de reposo o de movimiento. La magnitud que mide cuantitativamente la intensidad de una interacción es la fuerza.

Segunda Ley de Newton (Ley Fundamental de la Dinámica)

Las fuerzas originan aceleraciones. La aceleración de un cuerpo es proporcional a la fuerza resultante ejercida sobre el mismo, con la misma dirección y sentido que dicha fuerza, e inversamente proporcional a la masa del cuerpo: a = F/m. El newton es la fuerza necesaria para comunicar a 1 kg de masa una aceleración de 1 m/s². 1N = 1kg·1m/s² = 1 kg·m/s².

Tercera Ley de Newton (Principio de Acción y Reacción)

Cuando dos cuerpos interaccionan, las fuerzas que ejercen el uno sobre el otro tienen idéntico módulo y dirección, pero sentidos opuestos. Las fuerzas de acción y reacción nunca se anulan entre sí, debido a que actúan sobre cuerpos diferentes.

Peso y Fuerza de Rozamiento

Peso: Al ser el peso una fuerza, se expresa en newtons (P = m·g).

Fuerza de rozamiento: Fuerza opuesta al movimiento que se manifiesta en la superficie de contacto de dos cuerpos siempre que uno de ellos se mueva o tienda a moverse sobre el otro. Si el movimiento es en un plano horizontal: F_roz = μ·m·g.

Movimiento Circular Uniforme (MCU)

MCU: Movimiento de un cuerpo que tiene por trayectoria una circunferencia y describe arcos iguales en tiempos iguales. Cuando el punto se mueve, el ángulo varía, de modo que a cada valor del tiempo le corresponde un valor del ángulo. Si en el instante t₁, el cuerpo en movimiento se encuentra en P₁, formando un ángulo θ₁, con el origen de ángulos, y en el instante t₂ está situado en P₂ y su ángulo es θ₂, el cambio de posición viene dado por el desplazamiento angular o ángulo barrido.

Período (T): Tiempo que tarda un cuerpo con MCU en dar una vuelta o ciclo.

Frecuencia (f): Número de vueltas que describe un cuerpo con MCU en la unidad de tiempo. La frecuencia y el período son inversos: f = 1/T y T = 1/f.

Velocidad angular (ω): En el MCU, la velocidad angular es constante. La velocidad lineal es igual a la velocidad angular multiplicada por el radio vector (v = ω·r).

Radián: Un ángulo de un radián se define cuando la longitud del arco coincide con la del radio de la circunferencia con la que lo hemos trazado.

Aceleración normal o centrípeta (a_c): En el MCU, el módulo de la velocidad lineal es constante, pero su dirección y sentido varían constantemente. La aceleración normal o centrípeta es perpendicular a la trayectoria del móvil en cada punto y se encuentra dirigida hacia el centro de la circunferencia (a_c = v²/r).