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Mecánica Clásica

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Mecánica Clásica

La mecánica clásica estudia las fuerzas que producen el movimiento, el trabajo mecánico y conceptos como el momento lineal y la energía. Un enfoque clásico de la mecánica utiliza las leyes de Newton como piedras angulares que describen la manera en la que las fuerzas que interactúan en los cuerpos los afectan. Se considera a Isaac Newton como el padre de la mecánica clásica, dado que formuló las leyes que aun hoy en día seguimos utilizando en multitud de cálculos físicos.

Es de notar que, a pesar de no ser el sujeto habitual de estudio de la mecánica clásica, la teoría que describe propiedades de los materiales se basa en gran medida en leyes de la mecánica clásica, puesto que las propiedades macroscópicas de los materiales se derivan del comportamiento mecánico de los constituyentes microscópicos de los materiales.

¿Qué es la mecánica clásica?

La definición de mecánica clásica se puede formular de manera más o menos general, pero la más aceptada actualmente es la siguiente:

La mecánica clásica es el área de la física que se ocupa del análisis del movimiento de los cuerpos.

La mecánica clásica, a su vez, puede dividirse en dos grandes ramas:

La cinemática estudia los movimientos y desplazamientos de los cuerpos.

La dinámica estudia las causas del movimiento. Es decir, las fuerzas que producen el movimiento, según postuló el padre de la mecánica clásica, Isaac Newton.

La mecánica clásica también estudia los cambios de energía de un cuerpo, así como el trabajo producido por las fuerzas que generan el movimiento. Como ya hemos mencionado, una gran parte de las leyes de la mecánica clásica, en términos de dinámica, están descritas en las leyes de Newton (que enunciaremos más adelante). Es por esto que, a menudo, la combinación de dinámica y cinemática derivadas de las leyes de Newton se conoce bajo el nombre de mecánica clásica newtoniana.

La mecánica clásica no es la mejor teoría que tenemos para describir la evolución de cualquier sistema. En primer lugar, una descripción más acertada y fundamental —cuyos efectos apenas percibimos en nuestro día a día— está recogida en la física cuántica y, en concreto, en la mecánica cuántica.

Por otro lado, la primera modificación histórica de la aparentemente inamovible mecánica clásica newtoniana vino dada por la teoría relativista. La mecánica relativista es una teoría cuyos efectos —al igual que los efectos cuánticos— no percibimos en nuestro día a día. Sin embargo, la comprobación experimental de los mismos nos lleva a utilizarla como una descripción más fundamental que la mecánica clásica, aunque para la mayoría de problemas no necesitaremos hacer uso de ella.

Cinemática

El análisis de los cambios de velocidad, aceleración o desplazamiento de un objeto forman parte del área de estudio de la cinemática. En general, nos interesan los objetos que se mueven de forma lineal (cinemática lineal) o circular (cinemática rotacional). A continuación, mencionaremos brevemente un par de ejemplos de estos dos tipos de movimiento:

Cinemática lineal

Imagina el movimiento de una pelota sobre un raíl recto o de un coche en una carretera recta. La velocidad, el desplazamiento o la aceleración en estos sistemas se producen sobre un solo eje y en solo dos sentidos posibles, lo que simplifica el análisis y los cálculos.

Cinemática rotacional

Piensa en el movimiento de un asiento en un carrusel o de un satélite alrededor de la Tierra. Estos sistemas tienen interacciones más complejas entre las posiciones y los movimientos de sus componentes. Por ejemplo, dos objetos que giran a la misma velocidad alrededor de un mismo centro recorren distancias diferentes, por estar a distintas distancias del centro. En los sistemas lineales, en cambio, dos objetos con la misma velocidad recorren la misma distancia, aunque las direcciones y los ejes no sean los mismos.

Mecánica y materiales.Movimiento de rotación StudySmarter.Fig. 1: En el movimiento rotacional, los objetos a distinta distancia del centro cubren distancias diferentes, a pesar de tener la misma velocidad angular.

La cinemática rotacional también utiliza un conjunto diferente de magnitudes y sistemas de coordenadas adaptados a las cantidades que se manejan, para poder escribir las fórmulas de manera más sencilla. Por otra parte, mientras que la cinemática lineal utiliza un sistema cartesiano clásico, la cinemática rotacional suele utilizar un sistema cilíndrico o esférico.

Mecánica y materiales Sistemas de coordenadas StudySmarter

Fig. 2: Sistemas de coordenadas.
La cinemática lineal es sencilla de representar utilizando coordenadas como las cartesianas (a), cilíndricas (b) o esféricas (c).

Dinámica y leyes de la mecánica clásica

Para la dinámica, no es importante el desplazamiento o la velocidad de un cuerpo, sino cómo reacciona a los cambios y por qué. Las leyes de la mecánica clásica son las leyes de Newton, y son la piedra angular de la mecánica clásica. A continuación las presentamos muy brevemente.

Primera ley de Newton

Un objeto permanece en su mismo estado de movimiento, a menos que sea perturbado por una fuerza.

Segunda ley de Newton

La tasa de cambio del momento lineal de un objeto es igual a la fuerza total que actúa sobre él.

Tercera ley de Newton

Cuando dos cuerpos ejercen fuerzas el uno sobre el otro, las fuerzas son de igual magnitud, pero tienen la dirección opuesta.

La combinación de los conceptos de dinámica y las leyes de Newton sobre las fuerzas que actúan sobre los cuerpos nos permite comprender los sistemas en los que actúan múltiples fuerzas sobre un cuerpo o en los que dos cuerpos interactúan entre sí.

Momento, trabajo y energía

Estos tres conceptos forman parte del estudio de la mecánica clásica y se pueden derivar utilizando sus leyes básicas. Entonces, la utilidad reside en que se pueden describir los aspectos más relevantes de un sistema dinámico haciendo uso de estas magnitudes.

Momento

El momento es el producto de la masa de un objeto por su velocidad. Cuando un objeto acelera o desacelera, su momento cambia. El momento es importante en el análisis de algunas interacciones en las que los objetos intercambian energía al impactar entre sí, ya que se aplica la conservación del momento. Un ejemplo de este proceso es una colisión inelástica.

En una colisión inelástica, el momento global (suma total) de los objetos, antes y después de la colisión, debe ser el mismo.

Energía

Los objetos pueden tener energía cinética y potencial. En la mayoría de los sistemas se aplica la regla de la conservación de la energía, lo que significa que la energía total de un sistema es la misma en todo tiempo, independientemente de los procesos que tengan lugar dentro del mismo.

Trabajo

Es el cambio de energía producido por una fuerza en la dirección de desplazamiento. El trabajo producido está directamente relacionado con las fuerzas que mueven el objeto, e informa de manera sencilla sobre aspectos cinemáticos y dinámicos generales.

Vectores y escalares

Los vectores y los escalares son dos conceptos matemáticos muy utilizados en las leyes de la mecánica clásica y en el desarrollo general del formalismo matemático. Nos permiten expresar cantidades que sólo tienen una magnitud como escalares y cantidades que tienen tanto una magnitud como una dirección,; estas últimas se conocen como vectores.

Los vectores son especialmente útiles en dinámica, ya que permiten representar de forma sencilla un sistema de fuerzas que interactúan con un cuerpo. La representación utiliza una línea, a lo largo de la trayectoria de la fuerza aplicada, y una flecha para indicar su dirección. Un ejemplo clásico de la aplicación de vectores a fuerzas es el caso de un cuerpo que se desplaza en una pendiente.

Un coche está siendo arrastrado hacia arriba por una pendiente. La pendiente tiene un ángulo de 30 grados. La fuerza de la gravedad (flecha roja) tira del coche hacia abajo en dirección vertical.

Mecánica y materiales Fuerzas y vectores StudySmarterFig. 3: Diagrama de fuerzas que actúan sobre un coche que es arrastrado por una pendiente.

La fuerza gravitatoria (flecha roja) puede dividirse en dos componentes (flechas amarillas): una que actúa en dirección perpendicular a la pendiente y otra que actúa a lo largo de la misma.

La fuerza gravitatoria perpendicular a la pendiente provoca una respuesta de la pendiente de igual magnitud, pero de dirección opuesta (flecha rosa). La suma de estas fuerzas es cero, quedando como resultante la componente gravitatoria que tira del coche hacia abajo de la pendiente. La fuerza que ejerce nuestro sistema (flecha azul), tira del coche cuesta arriba y de forma paralela a la pendiente.

Si la fuerza del coche de seguridad es mayor que la componente horizontal de la gravedad, el coche se mueve hacia arriba; si es menor, el coche rueda colina abajo; si son iguales, el coche permanece estático.

Materiales

El estudio de los materiales y sus propiedades mecánicas es un aspecto importante de la física. Las propiedades de un material pueden indicarnos cuánta fuerza puede soportar un objeto y cómo reaccionará a las fuerzas que actúan sobre él. En mecánica, los objetos son indeformables; sin embargo, en la realidad, las fuerzas que actúan sobre un cuerpo lo deforman y afectan.

Propiedades como la elasticidad, la densidad, la dureza y la conductividad son propiedades intensivas de los materiales y vienen determinadas por condiciones específicas y microscópicas de cada material. No dependen de la cantidad de materia que estemos considerando.

Propiedades intensivas

Surgen como consecuencia de los mecanismos internos de los átomos que componen un objeto. Considera la elasticidad: las razones por las que los materiales son elásticos difieren. Por ejemplo, la elasticidad en los metales se produce por el cambio de la estructura atómica del material, mientras que en los polímeros es producto del estiramiento de las cadenas que componen el material.

Veamos brevemente algunas propiedades intensivas de los materiales:

  • La elasticidad se define como la capacidad de un material de resistir la deformación después de que se le aplique una fuerza. El material, en este caso, puede volver a su forma original o deformarse permanentemente. Ten en cuenta que la elasticidad de un material tiene un límite. Cualquier material elástico se deformará irreversiblemente tras la aplicación de una determinada fuerza.
  • La dureza se define como la resistencia de un material a ser deformado localmente, lo que suele conseguirse haciendo una hendidura con un objeto puntiagudo. Una relación interesante es que, habitualmente, la dureza de un material es inversa a su elasticidad. Muy a menudo, los materiales duros no son elásticos, y los materiales elásticos no son duros.
  • La conductividad se define como la facilidad con la que un material conduce las cargas eléctricas. La conductividad está relacionada con la estructura atómica del material.

Mecánica - Puntos clave

  • La mecánica clásica es la rama de la física que estudia las fuerzas que actúan sobre un objeto y los movimientos que genera.
  • La mecánica clásica puede dividirse en las disciplinas de dinámica y cinemática. La dinámica estudia el desplazamiento, la trayectoria, la velocidad y la aceleración de un objeto. La cinemática estudia las fuerzas que producen el movimiento y cómo reacciona el objeto ante ellas.
  • Las leyes de Newton describen cómo reacciona un cuerpo ante las fuerzas que alteran su estado de movimiento. La mecánica clásica también se llama mecánica clásica newtoniana, por basarse en las leyes de Newton.
  • Los materiales, sus propiedades y las respuestas a las fuerzas externas también son objeto de estudio de la mecánica clásica. Entre las propiedades físicas importantes están la elasticidad, la dureza, la conductividad y la densidad.

Preguntas frecuentes sobre Mecánica Clásica

La mecánica clásica es el área de la física que se ocupa del análisis del movimiento de los cuerpos. Las leyes de la mecánica clásica vienen dadas por las leyes de Newton.

El padre de la mecánica clásica es Isaac Newton, quien formuló sus tres leyes célebres sobre el movimiento y las causas que lo generan. Estas leyes siguen vigentes hoy en día para describir multitud de fenómenos mecánicos que nos encontramos día a día.

La principales teorías de la mecánica clásica son la dinámica y la cinemática. Mientras que la cinemática estudia el movimiento de los cuerpos sin estudiar las causas del mismo, la dinámica conecta las fuerzas con las causas del movimiento y estudia su efecto en un sistema.

Las leyes de la mecánica clásica son las leyes de Newton, que son enunciados generales sobre la conservación del momento lineal, la equivalencia entre estaticidad y velocidad constante y la conexión de la evolución dinámica de un sistema con las fuerzas que actúan sobre él.

Algunos ejemplos los constituyen sistemas con desplazamiento lineal o rotacional. La mecánica clásica estudia las mismas cantidades y la evolución temporal para ambos, pero difiere en cómo lo hace, dado que aunque las leyes básicas sean las mismas, se puede adaptar el formalismo de una manera conveniente para calcular de forma más sencilla.

Cuestionario final de Mecánica Clásica

Pregunta

¿Es válida la ley de la gravitación en presencia de la atmósfera terrestre?

Mostrar respuesta

Answer

No, hay que tener en cuenta la fuerza de rozamiento del aire.

Show question

Pregunta

¿Cuál es la condición de un medio para que un objeto que se mueve en él alcance una velocidad terminal?

Mostrar respuesta

Answer

El medio tiene que ser disipativo.

Show question

Pregunta

¿Se alcanza siempre la velocidad terminal en valores finitos de tiempo?

Mostrar respuesta

Answer

No, normalmente se alcanza de forma asintótica.

Show question

Pregunta

Elige la afirmación correcta:

Mostrar respuesta

Answer

El movimiento dentro de los fluidos es la situación en la que solemos encontrar las velocidades terminales.

Show question

Pregunta

 Elige la afirmación correcta

Mostrar respuesta

Answer

La fuerza de arrastre de los fluidos crece con su densidad.

Show question

Pregunta

Elige la afirmación correcta

Mostrar respuesta

Answer

En la mayoría de las situaciones, tenemos que resolver la dinámica para encontrar la velocidad terminal.

Show question

Pregunta

Elige la afirmación correcta

Mostrar respuesta

Answer

La velocidad terminal se alcanza cuando hay un equilibrio entre el cuerpo ganado por el objeto en su movimiento y la energía perdida por disipación.

Show question

Pregunta

La velocidad terminal no siempre se alcanza en un medio disipativo. ¿De qué depende esto?

Mostrar respuesta

Answer

Depende de las condiciones iniciales del experimento y del montaje experimental.

Show question

Pregunta

¿Puede calcularse la velocidad terminal de los objetos que caen hacia la Tierra utilizando únicamente la primera ley de Newton?

Mostrar respuesta

Answer

No, también necesitamos la aportación de la dinámica (segunda ley de Newton).

Show question

Pregunta

¿Qué mide el coeficiente de resistencia aerodinámica?

Mostrar respuesta

Answer

La relación entre la fuerza de arrastre y la forma de un objeto.

Show question

Pregunta

¿Por qué no suele ser relevante la dirección de la velocidad terminal?

Mostrar respuesta

Answer

Porque la dirección del movimiento es fija y conocida.

Show question

Pregunta

¿Cuáles son las unidades del coeficiente de arrastre?

Mostrar respuesta

Answer

Es un número y no tiene unidades.

Show question

Pregunta

¿Depende la fuerza de rozamiento del tamaño del objeto?

Mostrar respuesta

Answer

Sí, pero solo en la superficie perpendicular al movimiento.

Show question

Pregunta

¿A qué objeto afecta más la fuerza de arrastre: a una aguja que cae verticalmente o a una que cae horizontalmente?

Mostrar respuesta

Answer

Una aguja que cae horizontalmente, porque su superficie perpendicular al movimiento es mayor.

Show question

Pregunta

¿Por qué descartamos la solución para la velocidad cero al encontrar la velocidad terminal de una esfera que cae?

Mostrar respuesta

Answer

Porque se corresponde con el instante inicial del movimiento, en el que no hay velocidad terminal.

Show question

Pregunta

¿En qué condiciones se conserva la energía?

Mostrar respuesta

Answer

La energía se conserva bajo la condición de que el sistema esté cerrado.

Show question

Pregunta

¿Qué es la energía cinética?

Mostrar respuesta

Answer

La energía cinética se define como la energía que posee un cuerpo en virtud de su estado de movimiento.

Show question

Pregunta

¿Qué es la energía potencial?

Mostrar respuesta

Answer

La energía potencial se define como la energía que posee un cuerpo de masa definida, en virtud de su posición, en presencia de un campo gravitatorio.

Show question

Pregunta

¿Qué es la disipación de energía?

Mostrar respuesta

Answer

La pérdida de energía, al transformarse en formas de energía no útiles durante las transferencias de energía, se conoce como disipación de energía.

Show question

Pregunta

¿Qué es la energía elástica?

Mostrar respuesta

Answer

La energía que posee un cuerpo para mantener su configuración original.

Show question

Pregunta

¿Qué es la energía química?

Mostrar respuesta

Answer

La energía que posee una sustancia química.

Show question

Pregunta

¿Qué es la energía nuclear?

Mostrar respuesta

Answer

La energía que posee el núcleo de un átomo.

Show question

Pregunta

Pon un ejemplo de energía química convertida en energía mecánica.

Mostrar respuesta

Answer

Motor de combustible.

Show question

Pregunta

Pon un ejemplo de energía eléctrica convertida en energía térmica.

Mostrar respuesta

Answer

Calentador eléctrico.

Show question

Pregunta

Pon un ejemplo de energía eléctrica convertida en energía luminosa.     

Mostrar respuesta

Answer

La bombilla.

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes opciones nos da la energía mecánica de un objeto/sistema?

Mostrar respuesta

Answer

Energía potencial + energía cinética

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes puede ser una definición de energía nuclear?

Mostrar respuesta

Answer

Forma de energía que resulta de la conversión de ciertas cantidades de masa en energía. 

Show question

Pregunta

Dos objetos que orbitan a la misma velocidad pero a diferentes distancias alrededor de un centro de rotación, cubren ...

Mostrar respuesta

Answer

La misma distancia durante el mismo intervalo de tiempo.

Show question

Pregunta

¿Qué es una propiedad intensiva?

Mostrar respuesta

Answer

Una propiedad que es el resultado de los átomos que componen el objeto como cargas eléctricas.

Show question

Pregunta

Los vectores son útiles en mecánica. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero

Show question

Pregunta

¿Qué es una cantidad escalar?

Mostrar respuesta

Answer

Una cantidad que tiene una dirección.

Show question

Pregunta

Los vectores tienen:

Mostrar respuesta

Answer

Dirección y sentido.

Show question

Pregunta

La tercera ley de Newton afirma que cuando dos objetos interactúan entre sí, ejercen fuerzas iguales en direcciones contrarias. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero

Show question

Pregunta

Las leyes de Newton son tres. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero

Show question

Pregunta

¿Cuáles son las leyes que nos permiten ofrecer una descripción mecánica de un sistema?

Mostrar respuesta

Answer

Las leyes de Newton

Show question

Pregunta

La mecánica clásica rotacional utiliza sistemas de coordenadas esféricos y cilíndricos. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero

Show question

Pregunta

La dinámica estudia los movimientos de los objetos, pero no tiene en cuenta las fuerzas que actúan sobre ellos. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Falso

Show question

Pregunta

El estudio de la cinemática se centra en el análisis del desplazamiento, la velocidad, la trayectoria y la aceleración de los objetos en movimiento. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero

Show question

Pregunta

¿Cuáles son las dos principales ramas de la mecánica clásica?

Mostrar respuesta

Answer

Dinámica y cinemática

Show question

Pregunta

¿Qué otras teorías mejoran la descripción de la mecánica clásica?

Mostrar respuesta

Answer

La mecánica relativista y le mecánica cuántica.

Show question

Pregunta

¿Quién es el padre de la mecánica clásica?

Mostrar respuesta

Answer

Isaac Newton

Show question

Pregunta

¿Cuál es la ley de Newton que conecta las fuerzas como causas del movimiento con la evolución de un sistema?

Mostrar respuesta

Answer

La segunda ley de Newton

Show question

Pregunta

¿Por qué descartamos la solución para la velocidad cero al encontrar la velocidad terminal de una esfera que cae?

Mostrar respuesta

Answer

Porque corresponde al instante inicial del movimiento, en el que no había velocidad terminal.

Show question

Pregunta

¿A qué objeto afecta más la fuerza de arrastre: a una aguja que cae verticalmente o a una que cae horizontalmente?

Mostrar respuesta

Answer

A una aguja que cae horizontalmente, porque su superficie perpendicular al movimiento es mayor.

Show question

Pregunta

¿La fuerza de arrastre depende del tamaño del objeto?


Mostrar respuesta

Answer

Sí, pero solo en la superficie perpendicular al movimiento.

Show question

Pregunta

¿Cuáles son las unidades del coeficiente de arrastre?


Mostrar respuesta

Answer

Es un número y no tiene unidades.

Show question

Pregunta

¿Por qué hablamos habitualmente de la velocidad terminal como una cantidad escalar?

Mostrar respuesta

Answer

Porque ya conocemos la dirección del movimiento y no necesitamos especificarla hablando de cantidades vectoriales.

Show question

Pregunta

¿Qué mide el coeficiente de arrastre?


Mostrar respuesta

Answer

La relación entre la fuerza de arrastre y la forma de un objeto.

Show question

Pregunta

¿Puede calcularse la velocidad terminal de los objetos que caen hacia la Tierra utilizando únicamente la primera ley de Newton?

Mostrar respuesta

Answer

No, también necesitamos la aportación de la dinámica (segunda ley de Newton).

Show question

Pregunta

La velocidad terminal no siempre se alcanza en un medio disipativo. ¿De qué depende esto?

Mostrar respuesta

Answer

Solo depende de las condiciones iniciales del experimento.

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