01. Conceptos y principios
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Primera Ley de Newton
La dinámica es el estudio de la causa del movimiento, o más precisamente, la causa de los cambios en el movimiento. A finales del 1600, Isaac Newton planteó la hipótesis de que el movimiento no requiere una causa, sino que los cambios en el movimiento requieren causas. Un objeto experimenta un cambio de movimiento solo cuando interactúa con algún aspecto de su entorno. Esta audaz hipótesis, conocida como la primera ley del movimiento de Newton, se resume con la idea de que un objeto mantendrá su estado de movimiento, ya sea en reposo o viajando a gran velocidad, a menos que actúe sobre ella por algún aspecto de su entorno.
Utilizando la terminología cinemática desarrollada en la última unidad, esto significa que la velocidad de un objeto (estado de movimiento) es constante a menos que interactúe con algún agente externo. Una interacción externa no es necesaria para que un objeto se mueva, solo es necesaria si cambia la velocidad del objeto. Así, lo que se causa no es la velocidad, sino la aceleración. Este concepto es uno de los más sutiles, y complejos, de toda la física.
Un objeto mantendrá su estado de movimiento, ya sea en reposo o viajando a alta velocidad, a menos que actúe sobre él por algún aspecto de su entorno
Segunda Ley de Newton
Newton también planteó la hipótesis de que la suma total de todas las interacciones con el entorno externo, al que denominó fuerzas, es directamente proporcional a la aceleración del objeto. Además, la constante de proporcionalidad entre la suma de todas las fuerzas que actúan sobre un objeto y la aceleración del objeto mide la “resistencia” de un objeto a los cambios en su movimiento. Esta resistencia a los cambios en el movimiento se denomina inercia.
Por ejemplo, un objeto con gran inercia (cuantificado por una gran constante de proporcionalidad) responde a la aplicación de fuerzas con una aceleración relativamente pequeña. Un objeto con poca inercia (una pequeña constante de proporcionalidad) responde a la aplicación de las mismas fuerzas con una aceleración relativamente grande. La cantidad de inercia que tiene un objeto se mide por la masa inercial del objeto.
En resumen, esta relación, conocida como la Segunda Ley del Movimiento de Newton, y puede escribirse matemáticamente como:
La letra griega mayúscula sigma, S, se utiliza como taquigrafía para recordarle que hay que sumar todas las fuerzas que actúan sobre el objeto. La suma de todas las fuerzas que actúan sobre un objeto se denominará la fuerza total que actúa sobre el objeto.
Tercera Ley de Newton
La tercera gran contribución de Newton al estudio de la dinámica fue su visión de la fuerza, definida como la interacción entre un objeto y algún aspecto de su entorno. Newton teorizó que dado que los objetos interactúan con otros objetos en su entorno, siempre en parejas, existe cierta simetría en la naturaleza. La distinción entre el actor y el actuado es arbitraria. Sería tan fácil cambiar de enfoque y considerar el objeto en el entorno como el objeto actuado y el objeto original de interés del actor.
Si la naturaleza exhibe esta simetría, entonces la fuerza que un objeto ejerce sobre otro debe ser siempre igual en magnitud a la fuerza que ejerce el segundo objeto sobre el primero. Hablar de un objeto como ejercer una fuerza sobre otro es hablar de sólo la mitad del cuadro. Esta idea, conocida como la Tercera Ley del movimiento de Newton, es de importancia central en el estudio de las fuerzas. En resumen, los objetos interactúan entre sí, y se ejercen fuerzas de igual magnitud sobre cada uno de los dos objetos que interactúan. Una forma simplista de imaginarlo es la idea de que no puedes tocar algo sin que te toquen, y además, que cuanto más toques, más duro te tocarán a cambio.
Investigar la dinámica de una situación implica la identificación de todas las interacciones que un objeto experimenta con otros objetos en su entorno. Para ayudar en la identificación de estas interacciones, y utilizar esta información para describir mejor el movimiento final del objeto, a continuación se detallan varias herramientas de análisis útiles.
Las fuerzas vienen en pares y siempre son iguales en magnitud, pero opuestas en dirección