FISICA, dinamica

DINAMICA

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.

El estudio de la dinámica es prominente en los sistemas mecánicos (clásicos, relativistas o cuánticos), pero también en latermodinámica y electrodinámica. En este artículo se describen los aspectos principales de la dinámica en sistemas mecánicos, y se reserva para otros artículos el estudio de la dinámica en sistemas no mecánicos.

Las leyes de Newton

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:

1. El movimiento de un cuerpo es el resultado directo de sus interacciones con otros cuerpos que le rodean.
2. Una partícula libre se mueve con velocidad constante, es decir, sin aceleración.
3. La masa inercial de una partícula es una propiedad que determina cómo cambia su velocidad cuando interactúa con otros cuerpos.
4. 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).
5. La tasa de cambio de momento lineal de una partícula con respecto al tiempo es igual a la fuerza que actúa sobre la partícula.
6. 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.

Supongamos una superficie sin fricción. El bloque B produce una aceleración sobre el bloque A, tanto mayor cuanto lo sea la inclinación del plano sobre el que desliza B.

Cuando el bloque A alcance una aceleración de 1 m/s² pondremos una marca en el dinamómetro, cuando la aceleración A sea 2 m/s² pondremos otra marca, y así sucesivamente. Si la masa de A se denomina 1 kilogramo a las unidades marcadas sobre el medidor de fuerza les daremos el nombre de Newtons.

Si ahora cambiamos el cuerpo A por otro cuerpo D, observamos, por ejemplo, que cuando el dinamómetro marca 3 N la aceleración de D es 1.5 m/s², cuando marca 4 N la aceleración de D es 2 m/s², y así sucesivamente.

Podemos experimentar con más cuerpos y llevar los resultados a una gráfica, en el eje vertical la fuerza y en el eje horizontal la aceleración, obtendremos líneas rectas.

El hecho de que la fuerza es proporcional a la aceleración cuando diferentes fuerzas se aplican a un cuerpo, nos dice que existen un único número, una propiedad del cuerpo, que es la constante de proporcionalidad, y que le damos el nombre de masa (inercial). El hecho de que exista un único número para cada cuerpo no es una definición, ni se deduce de otros principios, es un hecho experimental.

Interacciones y fuerzas

Debe de quedar claro que toda fuerza describe una interacción. Para ello, es necesario superar varias resistencias:

1. Las preconcepciones de los estudiantes que tienden a identificar fuerza con velocidad. Las más observadas son las siguientes:

Sea un cuerpo que tiene una velocidad inicial en la base de un plano inclinado y desliza a lo largo del mismo hasta que se para. Muchos dibujan un vector fuerza en el sentido de la velocidad.

Supongamos un cuerpo que desliza a lo largo de un plano con rozamiento, bajo la acción de una fuerza que se aplica durante determinado tiempo. Se pide calcular el desplazamiento total del cuerpo. Muchos estudiantes resuelven mal el problema, por que tienden a parar el cuerpo justamente en el momento en el que se deja de aplicar la fuerza.

2. Algunos estudiantes tienen dificultad de identificar el cuerpo sobre el que se han de dibujar las fuerzas.
3. Otros, tienen dificultades en trasladar la acción de los bloques P y Q sobre el bloque A, tal como se ve en la figura.

4. La tercera ley de Newton, produce muchas equivocaciones

Es difícil aceptar que, si el bloque se mueve, ambas fuerzas la que hace el estudiante sobre el bloque y la que hace el bloque sobre el estudiante puedan ser iguales. Si el bloque, que estaba en reposo, se empieza a mover, el estudiante habrá tenido que hacer sobre él una fuerza mayor que la que ejerce éste sobre el estudiante.

Del mismo modo, se acepta que la Tierra ejerza una fuerza sobre un objeto, pero les es difícil aceptar que el objeto ejerza una fuerza igual y de sentido contrario sobre la Tierra.

5. Otras dificultad proviene de la confusión que tienen algunos respecto del método de resolver los problemas. Ponen fuerzas de inercia actuando sobre un cuerpo cuando se describe su movimiento desde el sistema de referencia inercial.

Fuerzas de rozamiento

Se debe reconocer que las fuerzas de rozamiento describen la suma de multitud de interacciones elementales de átomos y moléculas situadas en las superficies en contacto.

La fuerza de rozamiento empieza en cero y se incrementa a medida que lo hace la fuerza que se aplica sobre el objeto hasta que se "rompe", y comienza el deslizamiento. Se usa la palabra "rompe" como una analogía con una cuerda que se rompe cuando se incrementa la tensión por encima de un cierto valor crítico.

Los estudiantes tienden, erróneamente, a usar la fórmula Fr=mN cada vez que se presenta una fuerza de rozamiento por deslizamiento.

Se observa que asocian de forma inmediata la reacción del plano con el peso o con la componente del peso en la dirección perpendicular al mismo. Para corregir este defecto, se deberá proponer una situación que contradiga esta suposición, por ejemplo, cuando tiramos de un bloque con una cuerda en una dirección que no sea paralela al plano, véase el apartado fuerza normal.

Las fuerzas de rozamiento presentan dificultades a los estudiantes sobre todo en el caso estático, que se pone de manifiesto cuando se estudia la dinámica de una caja sobre la plataforma de un camión que acelera. Se proporciona los datos de la masa y de los coeficientes estático y dinámico de rozamiento, y se le pide calcular la fuerza de rozamiento y la aceleración de la caja cuando se dan tres valores de la aceleración del camión en las siguientes situaciones:

Cuando la caja está en reposo sobre la plataforma. Cuando la caja va a empezar a deslizar sobre la plataforma. Cuando se mueve sobre la plataforma. En este caso, se pide también la aceleración relativa de la caja desde el punto de vista del conductor del camión.

La principal dificultad del problema radica en poner adecuadamente la fuerza de rozamiento sobre la caja e indicar si tiene o no aceleración, ya que tienden a ponerse en el lugar de los observadores acelerados. Al estar el bloque en reposo sobre la plataforma piensan que su aceleración es nula.

Al plantear el tercer caso, el cálculo de la aceleración de la caja respecto del camión, aceptan que la caja se mueva hacia atrás respecto del camión, sin embargo, les sorprende que se mueva hacia adelante respecto de Tierra.

El estudio de las fuerzas de rozamiento, dedicamos tres páginas web de este capítulo. Se han diseñado dos experimentos simulados, que miden el coeficiente estático de rozamiento y el coeficiente dinámico de rozamiento.

LINK SOBRE DINÁMICA EN SUS DIFERENTES MOVIMIENTOS:

Dinamica