Leyes del Movimiento de Newton, Particularidades de Los Fenómenos Físicos
Existen diversidad de presentaciones de las leyes de Newton. Muchos textos empiezan con ‘fuerza’ como si fuera una primitiva, completamente comprendida cualitativamente y cuantitativamente, y que no requiere una definición operacional explícita. Después, definen masa como una constante de proporcionalidad entre fuerza y aceleración. Nuestra explicación de las leyes de Newton toma como principio básico la conservación del momento lineal de un sistema aislado formado por dos partículas interactuantes para llegar a la definición de fuerza:
El movimiento de un cuerpo es el resultado directo de sus interacciones con otros cuerpos que le rodean. Una partícula libre se mueve con velocidad constante, es decir, sin aceleración. La masa inercial de una partícula es una propiedad que determina cómo cambia su velocidad cuando interactúa con otros cuerpos. Una partícula libre siempre se mueve con momento lineal constante. El momento lineal total de un sistema compuesto de dos partículas que están sujetas solamente a su interacción mutua permanece constante (principio de conservación del momento lineal).
La tasa de cambio de momento lineal de una partícula con respecto al tiempo es igual a la fuerza que actúa sobre la partícula. Cuando dos partículas interactúan, la fuerza sobre la primera ejercida por la segunda, es igual y opuesta a la fuerza sobre la segunda ejercida por la primera. Arons (1990) propone la siguiente Introducción a las leyes de Newton que se puede complementar con la anterior y que está basada en experiencias imaginadas.
La Dinámica es la parte de la física que describe la evolución en el tiempo de un sistema físico en relación con las causas que provocan los cambios de estado físico y/o estado de movimiento. El Objetivo de la dinámica es describir los factores capaces de producir alteraciones de un sistema físico, cuantificarlos y plantear ecuaciones de movimiento o ecuaciones de evolución para dicho sistema de operación. Leyes de la Dinámica: Fueron formuladas por Isaac Newton y gracias a ellas podemos predecir el movimiento de un cuerpo si conocemos su estado actual y las fuerzas que actúan sobre él.
Ley de la Inercia: “Si la resultante de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo es nula o bien no actúa ninguna fuerza externa, resulta que si el cuerpo está en reposo continuará así y si se movía con movimiento rectilíneo uniforme seguirá moviéndose con ese mismo movimiento”. Ley fundamental de la Dinámica: “Si sobre un cuerpo actúa una fuerza resultante, éste adquiere una aceleración directamente proporcional a la fuerza aplicada, siendo la masa del cuerpo la constante de proporcionalidad. Esta aceleración tiene la misma dirección y sentido que la fuerza resultante. Principio de acción y reacción: “Si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro cuerpo, éste a su vez ejerce sobre el primero una fuerza con el mismo módulo y dirección, pero de sentido contrario”.
Ley de Hooke: Un cuerpo es elástico cuando recobra su forma después de cesar las fuerzas que lo han deformado. En el caso de un muelle, la deformación (alargamiento) es directamente proporcional a la fuerza aplicada. Los cuerpos elásticos tienen unos límites de elasticidad dentro de los cuales se cumple la ley de Hooke, si se superan estos límites, el cuerpo no cumple dicha ley y sus deformaciones pueden ser permanentes. El dinamómetro se basa en dicha ley.
Para resolver un problema de dinámica se recomienda a los estudiantes seguir un procedimiento consistente en el uso de diagramas extendidos de fuerzas que proporcionan una imagen visual de las ecuaciones de la dinámica. En dichos diagramas, las fuerzas y las aceleraciones se representan por flechas, pero no se debe confundir una aceleración con una fuerza. La aceleración se debe poner separada de las fuerzas, o identificada por una flecha de distinto color o de distinta forma. Sería conveniente que cada fuerza fuese descrita en palabras junto con el diagrama. Una descripción verbal indica la naturaleza de la fuerza y enuncia qué objeto ejerce una fuerza sobre cual otro. Por ejemplo, la fuerza gravitacional que ejerce la Tierra sobre el bloque de la izquierda, la fuerza de contacto ejercida por el plano inclinado sobre dicho bloque, la fuerza de fricción ejercida por el plano inclinado sobre el bloque, etc.
La creencia de que un satélite artificial está sometido además de la atracción gravitatoria terrestre a una fuerza centrífuga produciéndose un equilibrio entre ambas puede entenderse como otra implicación entre la asociación que muchos estudiantes establecen entre fuerza y movimiento, y más concretamente de la idea de que los cuerpos se mueven siempre en la dirección de la fuerza que actúa sobre ellos: si el satélite no se precipita hacia la Tierra es porque otra fuerza compensa a la gravitatoria. Así pues, una gran parte de los estudiantes describen la dinámica de la partícula desde el punto de vista del observador no inercial, poniendo en primer lugar la fuerza centrífuga, y no les convence mucho la descripción desde el punto de vista inercial cuando se les enseña, a pesar de que se les pregunte qué interacción produce dicha fuerza. Esto nos convence de la necesidad de que el estudiante identifique las interacciones y las describa en términos de las correspondientes fuerzas, Objetivo básico de este capítulo.
La dinámica del movimiento circular presenta, en General, más dificultades que la del movimiento rectilíneo, y debe ser analizada en las más variadas situaciones: Sea un objeto que describe una trayectoria circular en el plano vertical atado a una cuerda. Se pide calcular la tensión cuando el objeto se encuentra en la parte más alta y más baja de la trayectoria. En este ejemplo, se observa que algunos estudiantes ponen una fuerza adicional en el sentido de la velocidad, tangente a la trayectoria. Un problema similar, es el de un bloque que describe un rizo como los existentes en las ferias. Si se pregunta, cuál es la velocidad mínima que tiene que tener el objeto en la parte superior para que describa la trayectoria circular. Para sorpresa de muchos se demuestra que no es cero.
Encontrar la velocidad máxima que puede llevar un automóvil para que describa una curva de determinado radio con seguridad es otro de los contextos en los que se puede analizar el papel de la fuerza de rozamiento. Cuando la curva tiene peralte, existe cierta dificultad en identificar el centro de la trayectoria circular, y por tanto, la dirección de la aceleración centrípeta. Otros dudan sobre el sentido de la fuerza de rozamiento, por que no son capaces de separar en movimiento en la dirección tangencial del movimiento en la dirección radial. El papel de los satélites geoestacioarios en las comunicaciones como repetidores que reflejan las señales radioeléctricas entre continentes, es un ejemplo importante que se debe plantear ya que incluye además de la dinámica del movimiento circular uniforme, el concepto de velocidad angular y su diferencia con la velocidad lineal.
El estudio del movimiento en sistemas de referencia acelerados no es imprescindible, y es discutible su inclusión en el programa. Las denominadas fuerzas de inercia permiten explicar las sensaciones que experimenta un observador cuando se mueve con cierta aceleración ya sea en un movimiento rectilíneo, o en movimiento circular uniforme. Transforman un problema dinámico en un estático equivalente que es aparentemente más fácil resolver. El inconveniente proviene de que las fuerzas de inercia no describen interacción alguna, y esto lleva a equivocar al estudiante, la mezcla de fuerzas que describen interacciones y fuerzas que no responden a interacciones en los sistema de referencia acelerados.
Sin embargo, el hecho de que muchos estudiantes dibujen la fuerza centrífuga sobre un cuerpo que describe un movimiento circular, y la fuerza de inercia sobre una caja situada en la plataforma de un camión, hace necesario que se hable de la naturaleza de las denominadas fuerzas de inercia. Para evitar confusiones se resolverá el mismo problema de dinámica, destacando el papel del observador, primero desde el punto de vista del observador inercial, y después, desde el punto de vista del observador acelerado, señalándose las diferencias y semejanzas.
Para los casos en los que no se puede seguir en detalle el movimiento de la partícula deduciremos a partir de las leyes de Newton teoremas Generales denominados del momento lineal, momento angular y de la energía, para ello es necesario definir una serie de conceptos: impulso lineal, momento de una fuerza respecto de un punto, momento angular respecto de un punto, trabajo infinitesimal, potencia instantánea, y energía cinética de la partícula. Se estudiará en detalle las fuerzas dependientes de la posición, y en especial las fuerzas conservativas, definiendo el concepto de energía potencial, y la conservación de la energía mecánica.
Se deberá conocer con precisión las definiciones de los siguientes términos: impulso lineal, momento angular respecto de un punto, momento de una fuerza respecto de un punto, trabajo infinitesimal, potencia instantánea, energía cinética, energía potencial, fuerza central, fuerza conservativa. Se deberá saber aplicar los teoremas del momento lineal, del momento angular y de la energía a distintas situaciones físicas.
En primer lugar, se reconocerá mediante ejemplos que existen fuerzas dependientes de la posición cuyo trabajo no depende del camino, sino únicamente de la posición inicial y final. En particular, se obtendrá la expresión de la energía potencial correspondiente a la fuerza elástica en los muelles, la fuerza gravitatoria cerca de la superficie de la Tierra y la fuerza de atracción gravitatoria. Se pondrán ejemplos en los que se tenga que calcular el trabajo de una determinada fuerza a lo largo de varios caminos que comienzan y terminan en dos puntos dados, o bien a lo largo de un camino cerrado.
Resolver una situación física o un problema por más de un procedimiento es enriquecedor desde el punto de vista didáctico. Así, se pueden resolver situaciones aplicando la ley fundamental de la mecánica o efectuando el balance energético de dicha situación física, determinando las clases de energías que intervienen y sus transformaciones, es decir, relacionando las variaciones de la energía mecánica con el trabajo de las fuerzas no conservativas. Para que el estudiante sepa aplicar el principio de conservación de la energía mecánica a distintas situaciones, diferenciando aquellas en las que la energía total no se mantiene constante, es muy importante en Física, se ha diseñado un programa interactivo, el bucle. Este ejercicio es muy completo ya que además, hemos de saber aplicar la ecuación de la dinámica del movimiento circular uniforme al movimiento de la partícula en el bucle.
Para concluir este pequeño Resumen de todo lo que hemos visto en este bloque y que iremos a ver en el futuro, solo tengo que decir que este tema de la dinámica y las leyes de Newton fueron muy interesantes y fueron bastantes entretenidas por los gifs y videos que vimos en cada clase respectivamente, lo único que no me tuvo mucho agrado son estas dos mil palabras que nos tocó hacer como criterio, ya que en mi opinión personal es demasiado, ya que el tema de la física dinámica, no es algo que un estudiante le interese demasiado. Peroe n fin hay que dar gracias por lo que hemos aprendido en este bloque.
