CONCEPTOS BÁSICOS DE MECÁNICA

Conceptos básicos de mecánica

Puesto que no sé a qué tipo de lector me dirijo, me he propuesto intentar limitarme a exponer conceptos básicos usando el mínimo de Matemáticas/Física.

Aun así, sin unas ideas fundamentales no es posible seguir de una forma ordenada o tendría que extenderme tanto en las explicaciones que pasaría toda la vida con este tema.

Para los compañeros de ciencias, o técnicos ….. veréis que simplifico mucho y que algunos ejemplos serán muy burdos. De ahí lo de “conceptos básicos”.

 

FUERZA:

La fuerza es el medio por el que se comunica energía a un sistema.

Aunque el concepto es muy extenso, me limitaré a la forma de entederla de Sir Isaac Newton, que es la mas intuitiva.

Más información sobre las Leyes de Newton aquí.

1-) Si un objeto con masa está quieto, no se moverá a no ser que se le aplique una fuerza (ejemplo: acelerador).

2-) Si un objeto está en movimiento, no parará ni acelerará a no ser que se aplique una fuerza (freno, acelerador).

3-) Si un objeto se mueve en una direccion, continuará en la misma a no ser que se aplique una fuerza (volante).

Es decir: todo cuerpo con masa mantendrá su ESTADO de movimiento hasta que una fuerza se aplique sobre él.

ESTE ES EL PRINCIPIO DE INERCIA.

 

Es muy interesante el punto 3. Sin una fuerza que modifique la dirección del movimiento, todos los objetos se moverían en línea recta.

De estos tres enunciados, tan sencillos y tan evidentes, extraemos algunas ideas muy curiosas.

 

– Si observamos un objeto que está en reposo, solo hay dos opciones para explicar por qué no se mueve.

-a ) Ninguna Fuerza actua sobre él.

¿Ninguna? ¿Nuestro objeto existe aislado en un Universo propio ? Porque si existe en nuestro Universo, y esto es un hecho ya que lo estamos observando, siempre habrá una fuerza en juego (Inercia, gravedad, fuerzas magnéticas, viento solar, etc)

 

-b ) Todas la fuerzas que actúan sobre nuestro objeto, están EQUILIBRADAS.

Unas fuerzas lo empujan en un sentido mientras otras lo hacen en el contrario, con exactamente la misma intensidad.

Mientras unas actúan en una dirección, otras lo hacen en la contraria, equilibrándose al final todas ellas. O lo que es lo mismo, la Fuerza neta es cero.

 

¿Y qué pasa con un objeto en movimiento rectilíneo y con velocidad constante?

Si recordamos los puntos 1, 2 y 3 concluiremos lo mismo que en los apartados anteriores. Existe EQUILIBRIO de fuerzas.

 

ESTE ES EL PRINCIPIO DE ACCIÓN Y REACCIÓN.

 

En el mundo que nos rodea, la resistencia del aire y el rozamiento con el suelo son fuerzas que rompen el equilibrio de los cuerpos en movimiento y nos obligan a aplicar una fuerza (motores, pedales, remos, velas, etc) para contrarrestarlas. Pero en ausencia de ellas, una vez alcanzada la velocidad deseada (para acelerar hay que aplicar una fuerza igual que para frenar), ya no sería necesario seguir “empujando” y nos moveríamos a esa velocidad constante hasta la eternidad.

 

Si aplicamos una fuerza en el sentido del movimiento (a favor o en contra), solo conseguiremos acelerar o frenar.

Entonces surge una pregunta: ¿cómo cambiamos de dirección?

Aplicando una fuerza “lateral” aplicaremos una fuerza cuya dirección forma un ángulo con la del movimiento.

Tanto un timón como las ruedas delanteras tienen que ser “girados” para que surtan efecto.

 

Entonces, aplicando todo lo visto más arriba, el objeto cambiaría de trayectoria y describiría una curva si las fuerzas en juego así lo determinan.

Además de cambiar de trayectoria, un barco o un coche GIRAN. La dirección a la que apunta la proa cambia. Aplicando una fuerza lateral explicamos el cambio de dirección, pero ¿qué hacemos con el giro?

Girar también es cambiar el ESTADO DE MOVIMENTO. Es decir, hemos actuado de dos maneras: una cambiando la trayectoria y otra haciendo girar al buque.

 

En lo relativo a los giros (movimiento de rotación), se cumplen exactamente los mismos princpios. Asi que algo hemos hecho para obligar a girar al barco. ¿Qué ?

Hemos aplicado un MOMENTO de fuerzas.

 

MOMENTO DE FUERZAS

Imaginad un objeto cualquiera, flotando en el aire. Si lo empujamos justamente en el Centro de Gravedad se moverá a lo largo de una línea recta.

Si mientras se desplaza le damos un empujón lateral, también en el CG, cambiará de dirección pero seguirá apuntando al mismo sitio.

 

Sin embargo, si lo empujamos en cualquier sitio distinto del CG, además de desplazarse girará.

Es decir, una fuerza que no es aplicada sobre el Centro de Gravedad produce dos efectos: cambio de movimiento (aceleración, frenada, cambio de “rumbo”) y una rotación alrededor de un eje.

Es el principio por el que funciona una manivela.

Si el brazo de la manivela es muy largo, habrá que hacer menos fuerza para producir la rotación. Si acortamos el brazo, tendremos que aumentar la fuerza.

Al producto de la fuerza por la distancia al eje le llamamos Momento de una Fuerza.

 

M= F x d

 

Si un objeto no cambia su estado de movimiento, significa que tampoco cambia su rotación (o está parado o gira a velocidad constante). Recordad los apartados a ) y  b ).

Tenemos que añadir uno más.

 

c) Si un cuerpo no rota, todos los momentos de fuerza que actúan sobre él TAMBIÉN están en equilibrio.

 

Cuando movemos el timón, aplicamos una fuerza lateral en la pala de éste, que está a una cierta distancia del Centro de Gravedad del buque. Por lo tanto, ejerceremos un MOMENTO sobre el navío, que lo hará rotar alrededor de un eje vertical hasta que dejemos de actuar sobre el timón.

Exactamente lo mismo ocurre al mover el volante de nuestro coche.

En resumen, no solo hemos roto el equilibrio de Fuerzas, sino también el de Momentos.

De la intensidad y naturaleza de estas fuerzas, ya hablaremos más adelante.

 

Unas fórmulas que nos harán falta más adelante:

 

Cuando aplicamos una fuerza a un cuerpo, su estado de movimiento varía. ¿Cómo?

Un coche no pasa de cero a cien instantáneamente, sino que lo hace a un ritmo que depende de la potencia del motor.

El ritmo al que varía la velocidad de un objeto se llama aceleración. ¡Ojo!, que no existe la “frenada” sino que decimos que la aceleración es NEGATIVA.

Puede demostrarse que la relacion entre Fuerza, masa y aceleración es:

 

F= m x a

Fuerza = masa por aceleración.

 

Evidentemente no es lo mismo arrastar un pedrusco un metro que veinte metros. Aunque la fuerza sí sea la misma, cuesta más TRABAJO arrastrarlo cuanta más distancia haya que hacerlo.

 

Llamamos TRABAJO al producto de una Fuerza, por la distancia a lo largo de la cuál actúa.

Para no confundirlo con el Momento, llamaremos “e” de espacio recorrido a esta distancia.

 

J= F x e

J es la letra para designar trabajo adoptada internacionalmente.

Se ha elegido en honor a James Prescott Joule por sus trabajos en Termodinámica

 

Por último, tampoco es lo mismo arrastrar la piedra en un segundo que en una semana. Es decir, el tiempo invertido en aplicar el TRABAJO, también es significativo.

Llamamos POTENCIA al ritmo al que se realiza un trabajo.

Es decir:

W= J / t

W por James Watt.

t es el tiempo invertido.

 

Exactamente igual ocurre con las rotaciones. Simplemente tendríamos en cuenta los Momentos en lugar de las Fuerzas y una magnitud llamada MOMENTO DE INERCIA (resistencia a girar, o resistencia a parase si está girando), en lugar de la masa.

 

¿Y todo esto para qué? Para poder entender por qué el viento hace escorar a un buque hasta un punto determinado y por qué no da la voltereta.

O cómo funciona un timón, o cómo funcionan las velas o ….. cómo funciona el Mundo.

Y hasta aquí los conceptos básicos de mecánica…por ahora.


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