Fuente de información: Trabajo de grado de Mónica A. Camacho D. y Wilson H. Imbachi M. Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones.

PRÁCTICA DEMOSTRATIVA N° 4

(LEYES DEL MOVIMIENTO)

Ing. Francisco Franco – Web: http://mgfranciscofranco.blogspot.com/

Fuente de información: Trabajo de grado de Mónica A. Camacho D. y Wilson H. Imbachi M. Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones.

1.  INTRODUCCIÓN

Los conceptos tratados en capítulos anteriores conforman esa parte de la mecánica conocida como cinemática, la cual permite el estudio de las características que describen los diferentes tipos de movimiento pero sin considerar las causas que los originan. De esta parte se encarga la dinámica, otra rama de la mecánica que se centra en establecer la relación entre el movimiento de un objeto y las fuerzas que actúan sobre él. Para estudiar los principios de la dinámica es necesario recurrir a los conceptos de masa, fuerza y aceleración, términos mediante los cuales Isaac Newton formuló sus conocidas leyes del movimiento.

2.  OBJETIVO

Validar la relación que existe entre la fuerza neta aplicada sobre un objeto, su masa y la aceleración producida por dicha fuerza.

3.  CONCEPTO DE FUERZA

La fuerza es una magnitud física capaz de alterar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo como producto de la interacción con otro cuerpo o con el medio que lo rodea. Físicamente la fuerza hace parte de las denominadas cantidades vectoriales, por lo tanto su descripción dentro de cualquier sistema se hace por medio de su magnitud, dirección y sentido. Dependiendo del modo de aplicación existen dos tipos de fuerzas: fuerzas de contacto y fuerzas de largo alcance.

Una fuerza de contacto es aquella que, como su nombre lo indica, requiere del contacto directo entre dos cuerpos para ser aplicada. A este grupo pertenecen la fuerza normal, la fuerza de fricción y la fuerza de tensión.

• Fuerza normal (⃗⃗ ): Es la fuerza que ejerce toda superficie sobre un cuerpo que está en contacto con ella. Se denomina normal porque esta fuerza siempre actúa de manera perpendicular a la superficie (ver figura 1).

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Figura 1. Fuerza normal.

• Fuerza de fricción (⃗ ): Es la fuerza que ejerce una superficie sobre un cuerpo que se mueve a través de ella. La dirección de esta fuerza siempre es opuesta al movimiento del objeto y actúa de forma paralela a la superficie de contacto (ver figura 2).

[pic 2]

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donde µ se conoce como el coeficiente de fricción de la superficie sobre la que se desliza el objeto y ⃗ es la fuerza normal ejercida por la misma superficie.

Las fuerzas denominadas de largo alcance son aquellas que actúan sobre cuerpos que están separados una determinada distancia. Ejemplos de este tipo de fuerzas son la fuerza de atracción gravitacional, la fuerza eléctrica entre dos cargas, etc.

Cuando se tiene un cuerpo en reposo o moviéndose con velocidad constante se dice que este se encuentra en equilibrio. Dicho de otra manera, para que un cuerpo se encuentre en equilibrio no deben haber fuerzas actuando sobre él, y si las hay, la fuerza resultante o fuerza neta debe ser igual a cero (cada componente de la fuerza debe ser cero).

4.  SEGUNDA LEY DE NEWTON

Es una de las leyes fundamentales de la llamada mecánica clásica mediante la cual se establece la relación básica entre fuerza y movimiento. La segunda ley de Newton expresa que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo equivale a la masa de este multiplicada por la aceleración que se produce. De esta manera, cuando una fuerza neta actúa sobre un objeto en reposo generando un movimiento, la aceleración que se produce tiene la misma dirección que la fuerza aplicada (ver figura 3). Dentro de esta ley solo se consideran fuerzas externas ejercidas por uno o varios cuerpos sobre otro dentro de un mismo entorno y es válida solo para marcos de referencia inerciales, es decir, aquellos donde se cumple la primera ley de Newton.

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Figura 3. Segunda ley de Newton.

En forma vectorial la segunda ley de Newton viene dada como:

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Donde representa la fuerza neta aplicada, m es la masa del cuerpo y es la aceleración producida por la acción de la fuerza.

5.  SISTEMA MASA – RESORTE

Es un sistema compuesto por un objeto de masa que se desplaza sobre una superficie y que está unida a un punto fijo por medio de un muelle o resorte como se muestra en la figura 4.

[pic 6]

Figura 4. Sistema Masa-Resorte.

Cuando el resorte se deforma respecto de su posición inicial como producto de la acción

de una fuerza externa, aparece instantáneamente una fuerza  producida por el resorte sobre el elemento que está ejerciendo dicha fuerza externa y cuya magnitud es:

donde representa el valor del desplazamiento del resorte respecto de su posición de reposo ( = 0), k es una constante propia de cada resorte denominada constante elástica, que indica el grado de dureza o rigidez de estos elementos y el signo negativo indica que la fuerza del resorte siempre apunta en dirección opuesta al desplazamiento generado por la fuerza externa. La ecuación (3) se conoce en física como Ley de Hooke. Se debe tener en cuenta que esta expresión es válida para pequeños desplazamientos del resorte ya que si este se estira demasiado puede sufrir una deformación que le impida recuperar su forma o estado natural.

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