🚀 Resumen Completo de Dinámica
Física I - Ingeniería | UNSJ
1. Introducción a la Dinámica
Dinámica
Parte de la Física Mecánica Clásica que describe el movimiento de los cuerpos analizando las causas que modifican su velocidad, es decir, las fuerzas que actúan sobre ellos. Se fundamenta en las Leyes de Newton.
Cinemática
Describe el movimiento sin analizar sus causas
¿Cómo se mueve?
Dinámica
Describe el movimiento estudiando las fuerzas que lo producen
¿Por qué se mueve así?
2. Concepto de Fuerza
Fuerza [N]
Consecuencia de la interacción entre cuerpos. Es una magnitud vectorial que representa la acción de un cuerpo sobre otro.
2.1 Características del Vector Fuerza
| Característica | Descripción |
|---|---|
| Punto de aplicación | Lugar concreto sobre el cual actúa la fuerza (origen del vector) |
| Dirección | Recta a lo largo de la cual se aplica la fuerza |
| Sentido | Se indica con la punta de la flecha del vector |
| Magnitud (módulo) | Valor numérico de la fuerza en [N], longitud del vector |
2.2 Unidades de Fuerza
| Sistema | Unidad | Equivalencia |
|---|---|---|
| SI | Newton (N) | 1 N = 1 kg·m/s² |
| Sistema Técnico | Kilogramo-Fuerza (kgf) | 1 kgf = 9,8 N |
| CGS | Dyna (dy) | 1 dy = 1 g·cm/s² |
2.3 Clasificación de Fuerzas
Fuerzas de Contacto
Requieren contacto físico entre los cuerpos
Ejemplos: golpear un balón, rozamiento, tensión
Fuerzas de Campo
No involucran contacto físico; actúan a través del espacio vacío
Ejemplos: magnetismo, gravedad
3. Diagrama de Cuerpo Libre (DCL)
Diagrama de Cuerpo Libre
Representación vectorial en la que se incluyen todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo. En el modelo de partícula, el cuerpo se representa por un punto y todas sus interacciones se reemplazan por fuerzas dibujadas sobre dicho punto.
- Aislar el cuerpo del sistema
- Identificar todas las interacciones con el entorno
- Reemplazar cada interacción por su fuerza reactiva correspondiente
3.1 Fuerza Neta o Resultante (ΣF)
Fuerza Resultante
La única fuerza que produce sobre la partícula el mismo efecto que todas sus interacciones juntas. Se calcula por suma vectorial.
En el plano: suma por componentes
4. Leyes de Newton
🎯 Las Leyes de Newton
Conjunto de tres leyes fundamentales que describen la relación entre las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y su movimiento. Constituyen la base de la mecánica clásica.
4.1 Segunda Ley de Newton
Segunda Ley de Newton
"La resultante de las fuerzas que actúan sobre la partícula es igual a la razón de cambio de la cantidad de movimiento lineal de la partícula con respecto al tiempo."
Si m = constante:
$$\Sigma\vec{F} = m\vec{a}$$
En Componentes
$$\Sigma F_x = m \cdot a_x$$
$$\Sigma F_y = m \cdot a_y$$
$$\Sigma F_z = m \cdot a_z$$
- Si ΣF ≠ 0 → la partícula experimenta una aceleración proporcional a la fuerza
- Si ΣF = constante → movimiento uniformemente variado (MRUV)
- La aceleración varía inversamente con la masa
- Al duplicar la fuerza, la aceleración se duplica
Masa y Cantidad de Movimiento
Masa [kg]
Magnitud escalar que expresa la cantidad de materia de un cuerpo. Especifica la resistencia a cambiar su velocidad (inercia).
Cantidad de Movimiento [kg·m/s]
Magnitud vectorial definida por el producto de la masa por la velocidad.
Se relaciona con la inercia de un cuerpo en movimiento
4.2 Primera Ley de Newton — Ley de Inercia
Primera Ley de Newton (Ley de Inercia)
"Todo cuerpo permanece en su estado de reposo (equilibrio estático) o de movimiento con velocidad constante (equilibrio traslacional) si la fuerza neta sobre él es nula."
Estado de equilibrio: reposo o MRU
Inercia
Tendencia de los cuerpos a conservar su estado de reposo o movimiento. Se relaciona directamente con la masa: mayor masa → mayor inercia.
Cuando un auto frena bruscamente, el cuerpo tiende a ir hacia adelante (la inercia lo mantiene en movimiento).
Sistemas de Referencia
| Tipo | Característica | Aplicabilidad de las leyes |
|---|---|---|
| Inercial | Observador en reposo o con velocidad constante | ✅ Se aplican las leyes de Newton |
| No inercial | Observador acelerado | ❌ No se aplican directamente |
Las leyes de Newton solo son válidas en sistemas de referencia inerciales.
4.3 Tercera Ley de Newton — Acción y Reacción
Tercera Ley de Newton (Acción y Reacción)
"Cuando dos cuerpos interactúan, el primero ejerce una fuerza sobre el segundo (F₁₂) y éste ejerce una fuerza sobre el primero (F₂₁); estas dos fuerzas tienen la misma dirección, la misma magnitud, sentido contrario y actúan en cuerpos distintos."
Par acción-reacción
Los pares acción-reacción actúan sobre cuerpos distintos, por lo que nunca se cancelan entre sí en el DCL de un mismo cuerpo.
5. Vínculos y Reacciones
Vínculos
Cuerpos que limitan la posibilidad de movimiento de otro. Todo cuerpo vinculado puede tratarse como libre si se reemplazan los vínculos por sus fuerzas de reacción.
5.1 Clasificación de Vínculos
| Tipo de vínculo | Grados de libertad limitados | Reacción que ejerce |
|---|---|---|
| Apoyo simple | 1 (traslación en una dirección) | Una fuerza: Normal (N) o Tensión (T) |
| Apoyo fijo / Articulación | 2 (traslación en dos direcciones) | Dos componentes: Rₓ y Rᵧ |
| Empotramiento | 3 (traslación en x, y + rotación) | Rₓ, Rᵧ + momento τᵤ |
5.2 Estados de Equilibrio
| Estado | Comportamiento ante perturbación |
|---|---|
| Estable | El cuerpo regresa a su posición original |
| Inestable | El cuerpo no regresa; varía su energía potencial gravitatoria |
| Neutro | El cuerpo no muestra tendencia a volver ni varía su energía potencial |
6. Fuerzas Frecuentes
6.1 Fuerza Normal (N)
Fuerza Normal [N]
Fuerza perpendicular a la superficie de contacto entre dos cuerpos. Es una fuerza de contacto y de vínculo.
6.2 Tensión (T)
Tensión [N]
Fuerza con que una cuerda o cable tenso tira de cualquier cuerpo unido a sus extremos.
- Masa despreciable
- Inextensible
- → El valor de T es idéntico en todos los puntos de la cuerda
6.3 Fuerza Peso (P)
Peso [N]
Fuerza gravitatoria con que la Tierra atrae a un cuerpo. Siempre dirigida hacia el centro de la Tierra.
g = 9,8 m/s² (aceleración de la gravedad)
Diferencias entre Masa y Peso
| Característica | Masa | Peso |
|---|---|---|
| Naturaleza | Escalar | Vectorial (fuerza) |
| Instrumento de medida | Balanza (kg) | Dinamómetro (N) |
| Variación | Constante | Varía con la ubicación |
| Dependencia | Inherente al cuerpo | Depende del campo gravitatorio |
6.4 Ley de Gravitación Universal (4ª Ley de Newton)
G = 6,674 × 10⁻¹¹ N·m²/kg² (constante de gravitación universal)
El peso se deriva de la gravitación universal:
$$P = \frac{G \cdot M_T \cdot m}{R_T^2} = m \cdot g$$
7. Fuerza de Rozamiento (Fricción)
Fuerza de Rozamiento
Fuerza que resulta de la interacción entre dos superficies en contacto. Su dirección es siempre tangencial a la superficie.
7.1 Características
- Se debe a las irregularidades microscópicas de las superficies
- Es casi independiente del área de contacto
- Depende de la naturaleza de los materiales y su acabado superficial
- Es proporcional a la fuerza normal
7.2 Rozamiento Estático (Fre)
Rozamiento Estático
Resistencia que debe superarse para iniciar el movimiento entre dos superficies en reposo relativo.
μₑ = coeficiente de rozamiento estático
- Varía su valor según la fuerza aplicada, hasta un máximo
- La fórmula solo da la fricción máxima posible
- Si la fuerza aplicada es menor, Fre = fuerza aplicada
7.3 Rozamiento Dinámico o Cinético (Frd)
Rozamiento Dinámico
Resistencia de magnitud considerada constante que se opone al movimiento una vez que éste ya comenzó.
\(\mu_d\) = coeficiente de rozamiento dinámico
7.4 Comparación
| Característica | Estático (Fre) | Dinámico (Frd) |
|---|---|---|
| Cuándo actúa | Cuerpos en reposo relativo | Cuerpos en movimiento relativo |
| Magnitud | Variable (hasta Fre_MAX) | Aproximadamente constante |
| Relación con μ | Fre ≤ μe · N | Frd = μd · N |
| Coeficiente | μe (mayor) | μd < μe |
📝 Ejemplo: Refrigerador
Datos: m = 110 kg, μe = 0,60, μd = 0,40
Fuerza máxima de fricción estática:
$$F_{re\_MAX} = \mu_e \cdot m \cdot g = 0,60 \times 110 \times 9,8 = 647 \text{ N}$$
| Fuerza aplicada 400 N < 647 N | → No se mueve → Fre = 400 N |
| Fuerza aplicada 600 N < 647 N | → No se mueve → Fre = 600 N |
| Fuerza aplicada 800 N > 647 N | → Se mueve → Frd = 431 N |
8. Ley de Hooke
Ley de Hooke
"La fuerza aplicada a un resorte es directamente proporcional a la deformación que se le produce."
El signo negativo indica que la fuerza se opone a la deformación
8.1 Variables de la Ley de Hooke
| Símbolo | Descripción | Unidad SI |
|---|---|---|
| F | Fuerza aplicada al resorte | N |
| k | Constante elástica del resorte | N/m |
| x | Deformación (variación de longitud) | m |
8.2 Constante Elástica (k)
Constante Elástica [N/m]
Relaciona fuerza y deformación. A mayor valor de k → resorte más rígido → mayor fuerza necesaria para deformarlo.
- Es propia de cada resorte
- Depende del material, geometría, etc.
- Se mide en N/m
8.3 Tipos de Deformación
| Situación | Deformación | Fuerza del resorte |
|---|---|---|
| Compresión | x < 0 (acortamiento) | F > 0 (empuja hacia fuera) |
| Extensión | x > 0 (alargamiento) | F < 0 (tira hacia adentro) |
La fuerza del resorte siempre se opone a la deformación → de ahí el nombre "fuerza recuperadora".
9. Sistemas con Poleas y Planos Inclinados
🎯 Metodología General
Para resolver sistemas de múltiples cuerpos:
- Identificar los cuerpos del sistema
- Dibujar el DCL de cada cuerpo por separado
- Identificar pares acción-reacción entre los cuerpos (3ª Ley)
- Aplicar ΣF = m·a a cada cuerpo en cada dirección
- Resolver el sistema de ecuaciones para las incógnitas
9.1 Sistemas de Bloques Apilados
- fr₁₂ ↔ fr₂₁: Rozamiento dinámico entre bloques
- N₁₂ ↔ N₂₁: Fuerza normal de contacto entre bloques
9.2 Planos Inclinados
Plano Inclinado
Superficie plana que forma un ángulo θ con la horizontal. Requiere descomposición del peso en componentes paralela y perpendicular al plano.
$$P_{\parallel} = m \cdot g \cdot \sin(\theta)$$
→ paralela al plano (produce movimiento)
$$P_{\perp} = m \cdot g \cdot \cos(\theta)$$
→ perpendicular al plano (genera la normal)
$$N = m \cdot g \cdot \cos(\theta)$$
→ fuerza normal
$$F_{rd} = \mu_d \cdot N = \mu_d \cdot m \cdot g \cdot \cos(\theta)$$
→ rozamiento
- Establecer sistema de coordenadas: x paralelo al plano, y perpendicular
- Descomponer el peso en P∥ y P⊥
- Calcular la normal: N = P⊥
- Calcular el rozamiento: Frd = μd·N
- Aplicar ΣF = m·a en la dirección del movimiento
- Si hay cuerdas inextensibles → misma magnitud de aceleración
📝 Ejemplo Resuelto
Sistema: Dos bloques de 1 kg cada uno, conectados por cuerda que pasa por polea, μd = 0,1
Resultado: a = 0,24 m/s²
El bloque en el plano inclinado desciende con esta aceleración.
10. Dinámica del Movimiento Circular Uniforme
🎯 Recordatorio Cinemático
En MCU: la partícula recorre una trayectoria circular con rapidez constante, pero la dirección de la velocidad cambia continuamente → existe aceleración centrípeta.
\(a_n\) siempre apunta hacia el centro de la trayectoria
10.1 Sistema de Coordenadas Intrínsecas
Para analizar dinámicamente el MCU se usa el sistema (n, t, b):
| Eje | Dirección | Descripción |
|---|---|---|
| n (normal/radial) | Hacia el centro de la curva | Dirección centrípeta |
| t (tangencial) | Tangente a la trayectoria | Sentido del movimiento |
| b (binormal) | Perpendicular al plano (n,t) | Perpendicular al plano de movimiento |
10.2 Aceleraciones en MCU
| Componente | Valor | Justificación |
|---|---|---|
| aₙ | v²/R ≠ 0 | Rapidez constante pero dirección variable |
| aₜ | 0 | No hay cambio en la rapidez |
| aᵦ | 0 | No hay movimiento fuera del plano |
10.3 Aplicando ΣF = m·a en MCU
$$\Sigma F_n = m \cdot a_n = m \cdot \frac{v^2}{R}$$
(dirección radial)
$$\Sigma F_t = m \cdot a_t = 0$$
(dirección tangencial)
$$\Sigma F_b = 0$$
(perpendicular al plano)
En MCU, la fuerza resultante actúa únicamente en la dirección radial y es la responsable del cambio de dirección de la partícula.
11. Fuerza Centrípeta
Fuerza Centrípeta
"Es la fuerza, o la componente de la fuerza, que actúa sobre un objeto en movimiento sobre una trayectoria curvilínea, dirigida hacia el centro de curvatura de la trayectoria."
Siempre apunta hacia el centro de la trayectoria
11.1 Características Importantes
- Es la etiqueta que se le da a la fuerza neta radial
- Puede estar provista por distintas fuerzas físicas
- Siempre actúa perpendicular a la dirección del movimiento
11.2 ¿Qué fuerza actúa como centrípeta?
| Situación | Fuerza que actúa como Fc |
|---|---|
| Pelota en una cuerda | Tensión T en la cuerda |
| Satélite en órbita | Fuerza gravitatoria G·M·m/r² |
| Auto en curva | Fuerza de fricción |
| Vagón de montaña rusa | Combinación de Normal y Peso |
| Partícula en tubo | Componente de la Normal |
12. Aplicaciones de la Fuerza Centrípeta
12.1 Satélite en Órbita Circular
La fuerza gravitatoria actúa como la fuerza centrípeta:
Simplificando: \(\frac{G \cdot M_T}{r} = v^2\)
12.2 Objeto en Cono (Péndulo Cónico)
Para una partícula que describe MCU con una cuerda de longitud L formando ángulo θ con la vertical:
Vertical (y): \(T \cdot \cos(\theta) - m \cdot g = 0\)
Radial (x): \(T \cdot \sin(\theta) = m \cdot \frac{v^2}{r}\)
Resolviendo: \(T = \frac{m \cdot g}{\cos(\theta)}\)
12.3 Curva Plana sin Peralte
La fuerza de fricción actúa como centrípeta. Velocidad máxima sin deslizar:
La fricción estática máxima proporciona la fuerza centrípeta
12.4 Curva Peraltada sin Fricción
La componente horizontal de la Normal actúa como centrípeta:
Vertical (y): \(N \cdot \cos(\theta) - m \cdot g = 0\)
Radial (x): \(N \cdot \sin(\theta) = m \cdot \frac{v^2}{r}\)
Velocidad de Diseño
Velocidad para la cual un vehículo puede tomar la curva peraltada sin necesidad de fricción.
Velocidad de diseño de la curva peraltada
12.5 Curva Peraltada con Fricción
Existen dos casos extremos:
Velocidad Máxima
La fricción apunta cuesta abajo
\(N \cdot \cos(\theta) - f_{re} \cdot \sin(\theta) - mg = 0\)
\(N \cdot \sin(\theta) + f_{re} \cdot \cos(\theta) = \frac{mv^2}{r}\)
Velocidad Mínima
La fricción apunta cuesta arriba
\(N \cdot \cos(\theta) + f_{re} \cdot \sin(\theta) - mg = 0\)
\(N \cdot \sin(\theta) - f_{re} \cdot \cos(\theta) = \frac{mv^2}{r}\)
13. Movimiento Circular Variado (MCV)
Movimiento Circular Variado
Movimiento circular donde la rapidez cambia → existe tanto aceleración normal (aₙ) como tangencial (aₜ).
13.1 Componentes de la Fuerza en MCV
| Componente | Fórmula | Efecto |
|---|---|---|
| Fuerza centrípeta (radial) | Fc = m·v²/R | Cambia la dirección de la velocidad |
| Fuerza tangencial | Ft = m·aₜ | Cambia la rapidez (módulo de la velocidad) |
Magnitud de la aceleración total
13.2 Ejemplo Resuelto: Péndulo
📝 Péndulo en posición θ = 30°
Datos: L = 2 m; T = 2,5·m·g; θ = 30° (con la vertical)
Dirección tangencial:
\(m \cdot g \cdot \sin(30°) = m \cdot a_t \rightarrow a_t = 4,9 \text{ m/s}^2\)
Dirección normal:
\(T - m \cdot g \cdot \cos(30°) = m \cdot a_n \rightarrow a_n = 16,03 \text{ m/s}^2\)
Rapidez en esa posición:
\(v = \sqrt{a_n \cdot L} = \sqrt{16,03 \times 2} = 5,66 \text{ m/s}\)
Aceleración total:
\(|a| = \sqrt{16,03^2 + 4,9^2} = 16,76 \text{ m/s}^2\)
14. 📋 Resumen de Fórmulas de la Unidad
Leyes de Newton
| Ley / Concepto | Expresión | Unidad |
|---|---|---|
| 2ª Ley de Newton | \(\Sigma F = m \cdot a\) | N |
| Cantidad de movimiento | \(p = m \cdot v\) | kg·m/s |
| 1ª Ley de Newton | \(Si \; \Sigma F = 0 \rightarrow v = cte\) | - |
| 3ª Ley de Newton | \(F_{12} = -F_{21}\) | N |
Fuerzas Fundamentales
| Fuerza | Expresión | Unidad |
|---|---|---|
| Gravitación Universal | \(F = \frac{G \cdot M \cdot m}{r^2}\) | N |
| Peso | \(P = m \cdot g\) | N |
| Rozamiento dinámico | \(F_{rd} = \mu_d \cdot N\) | N |
| Rozamiento estático (máx.) | \(F_{re\_MAX} = \mu_e \cdot N\) | N |
| Ley de Hooke | \(F = -k \cdot x\) | N |
Plano Inclinado
| Componente | Expresión | Unidad |
|---|---|---|
| Peso paralelo | \(P_{\parallel} = m \cdot g \cdot \sin(\theta)\) | N |
| Peso perpendicular | \(P_{\perp} = m \cdot g \cdot \cos(\theta)\) | N |
| Normal | \(N = m \cdot g \cdot \cos(\theta)\) | N |
| Rozamiento | \(F_{rd} = \mu_d \cdot m \cdot g \cdot \cos(\theta)\) | N |
Dinámica del Movimiento Circular
| Magnitud | Expresión | Unidad |
|---|---|---|
| Fuerza centrípeta | \(F_c = m \cdot \frac{v^2}{R}\) | N |
| Aceleración centrípeta | \(a_n = \frac{v^2}{R}\) | m/s² |
| Aceleración tangencial | \(a_t = \frac{dv}{dt}\) | m/s² |
| Aceleración total (MCV) | \(|a| = \sqrt{a_n^2 + a_t^2}\) | m/s² |
| Velocidad en curva peraltada | \(v = \sqrt{g \cdot r \cdot \tan \theta}\) | m/s |
| Velocidad máxima en curva | \(v_{max} = \sqrt{\mu_e \cdot g \cdot r}\) | m/s |
Constantes Físicas
| Constante | Símbolo | Valor | Unidad |
|---|---|---|---|
| Aceleración gravitatoria | \(g\) | 9,8 | m/s² |
| Constante gravitacional | \(G\) | 6,674 × 10⁻¹¹ | N·m²/kg² |
| Conversión kgf | - | 1 kgf = 9,8 N | - |
| Cinemática (U1) | Dinámica (U2) |
| Aceleración constante → MRUV | \(\Sigma F = constante \rightarrow\) causa del MRUV |
| Aceleración centrípeta \(a_n = \frac{v^2}{R}\) | Fuerza centrípeta \(F_c = m \cdot a_n\) |
| Aceleración tangencial \(a_t\) | Fuerza tangencial \(F_t = m \cdot a_t\) |
| Reposo o MRU | \(\Sigma F = 0 \rightarrow\) 1ª Ley de Newton |