Definición de Conceptos
En las lecciones anteriores se plantea los temas básicos del estudio de la cinemática: el estudio del movimiento de los cuerpos. La cinética, que es la que estudia las causas que producen el movimiento, introduce dos nuevos conceptos utilizados para su análisis: fuerza y masa.
La cantidad de materia que un cuerpo posee está determinada por su masa *. Las unidades para ésta propiedad son el Kilogramo (Kg) en el sistema internacional (SI), Libra - masa (lbm), slug en el sistema inglés, y para cantidades atómicas, la masa se mide en umas (uma).
El movimiento de un cuerpo está determinado por las interacciones del cuerpo con su entorno, las cuales se llaman fuerzas *. Estas pueden ser fuerzas de contacto, que implica el contacto directo entre dos cuerpos: una persona empujando una caja o una cadena sosteniendo una planta son ejemplos de éstas fuerzas; o también pueden ser de largo alcance, que actúan aunque los cuerpos están separados: una fuerza entre dos imanes con polos iguales de frente es un ejemplo de éstos.
Las unidades de la fuerza son: el Newton (N) en el sistema internacional, la dina y libras - fuerza (lbf) para el sistema inglés.
La fuerza es una cantidad vectorial. Si un cuerpo está afectado por varias fuerzas, éstas se pueden sustituir por una fuerza equivalente, igual a la combinación por suma vectorial de todas ellas, utilizando los diferentes métodos para sumar vectores. Ésta fuerza coúnmente es llamada fuerza neta.
Una fuerza de largo alcance de uso común en el estudio de la cinética es el peso de los cuerpos, que es una fuerza que ejerce la tierra con los cuerpos, en función de su cantidad de materia (masa) y de la distancia que separa el cuerpo con la superficie terrestre.
Primera Ley de Newton.
Si la suma vectorial de las fuerzas, es decir, la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo es igual a cero,entonces no existe algún agente externo que altere el movimiento de dicho cuerpo. Ésta es la idea principal que se plantea en el enunciado de ésta ley:
Un cuerpo sobre el que no actúa una fuerza neta se mueve con velocidad constante (que puede ser cero) y cero aceleración **.
La tendencia de un cuerpo a seguir moviéndose una vez puesto en movimiento resulta de una propiedad llamada inercia *. Ésta ley es conocida como la ley de la inercia, y también explica el estado de equilibrio de un cuerpo: si sobre un cuerpo no actúan fuerzas, o actúan varias fuerzas cuya suma vectorial es cero, entonces el cuerpo está en equilibrio *. Se debe cumplir que: ∑F = 0.
Para analizar un cuerpo en su estado de equilibrio, se debe hacer a partir de un marco de referencia inercial, definidos asi los que están en un punto en equilibrio con respecto al cuerpo en análisis. La tierra es aproximadamente un marco de referencia inercial (despreciando los movimientos mínimos que tiene con relación a su eje), pero un vehículo acelerando constantemente no lo es, debido a que su velocidad cambia.
Segunda Ley de Newton.
En la primera ley se describe el estado en el que un cuerpo no siente alguna fuerza externa. Pero, cuando existe una fuerza externa actuando o varias fuerzas cuya resultante es distinta de cero, el movimiento del cuerpo tiende a cambiar su movimiento. En la segunda ley del movimiento se describe que la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional a la aceleración del cuerpo: ∑F α a.
La constante de proporcionalidad para ésta relación es la masa, debido a que la masa es inversamente proporcional a la aceleración del cuerpo de masa m: m α 1/a.
Dadas éstas relaciones, se plantea la siguiente ley:
Si una fuerza externa neta actúa sobre un cuerpo, éste se acelera. La dirección y el sentido de la aceleración es la misma que la de la fuerza neta. El vector fuerza neta es igual a la masa del cuerpo multiplicada por su aceleración **.
Note que también se plantea la dirección y el sentido de la fuerza neta. Como la masa es una cantidad escalar y siempre es positiva, la aceleración tiene el mismo signo que el de la fuerza neta.
El peso es la fuerza ejercida por el campo gravitacional, que provoca que un cuerpo de masa m tenga una aceleración igual al valor de la gravedad. Entonces, se define el peso w de un cuerpo como:
w = m*g (una fuerza dirigida siempre hacia abajo).
Tercera Ley de Newton.
Una fuerza de contacto es una interacción entre dos cuerpos. Entonces, los dos cuerpos sufren la misma fuerza entre si, pero en diferente sentido desde un mismo marco de referencia. Por ejemplo, si una persona patea un balón de fútbol con una fuerza F, el balón ejerce una fuerza de igual magnitud, pero en dirección a la persona: -F, sobre el pié de la persona. Éstas dos fuerzas son conocidas como el par de fuerzas acción - reacción, y forman el enunciado de la tercera ley de movimiento:
Si el cuerpo A ejerce una fuerza sobre el cuerpo B (una "acción"), entonces B ejerce una fuerza sobre A (una "reacción). Éstas fuerzas tienen la misma magnitud pero dirección opuesta, y actúan sobre diferentes cuerpos **.
Matemáticamente se define como:
Donde el signo define el sentido contrario de ambas fuerzas. La dirección de ambas fuerzas difieren en una cantidad de 180º; es decir, los dos vectores fuerza tienen la misma inclinación, pero sentidos opuestos.
