Fisica General Burbano

DINÁMICA DE LA PARTÍCULA
CAPÍTULO V
FUERZA Y MASA. LAS TRES LEYES DE NEWTON.
ESTÁTICA DE LA PARTÍCULA
V – 1. Introducción
A) PRIMERA LEY DE NEWTON.
CONCEPTO DE FUERZA. ESTÁTICA DE LA PARTÍCULA
MUESTRA PARA EXAMEN. PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR
En Cinemática hemos estudiado el movimiento de la partícula sin tener en cuenta su «masa» y
la «fuerza» que sobre ella actúa, de cuyo análisis, relación entre ellas y las magnitudes cinemáticas,
se ocupa la DINÁMICA. Desarrollaremos la Dinámica en tres partes referidas a una partícula, a un sistema
de partículas y al sólido rígido.
Se basa la Dinámica de la partícula entres leyes fundamentales enunciadas por Newton,
apoyándose en la observación, experimentación, y teorías de científicos anteriores a él, siendo Galileo,
Keppler y Descartes los más relevantes. Newton utilizó el cálculo diferencial en la descripción
de la Mecánica, del que junto con su coetáneo Gottfrien W. Leibniz (1646-1716), fueron descubridores,
y que causó una auténtica revolución metodológica. Las llamaremos LEYES FUNDAMENTALES
DEL MOVIMIENTO: 1ª ley de inercia. 2ª ley de acción de fuerzas. 3ª ley de acción y reacción. Estas leyes
son estrictamente válidas para SISTEMAS DE REFERENCIA INERCIALES (párrafo IV-13).
El problema fundamental de la Dinámica es el mismo que hemos planteado en la cinemática
ampliado al conocimiento de la «fuerza» que actúa sobre la partícula y su «masa» . Tendremos resuelto
este problema si nos proporcionan dos variables independientes como pueden ser su masa
y su vector de posición en cualquier instante; diremos que nos definen su ESTADO DINÁMICO, con
ellas tendremos la información suficiente para determinar su movimiento y la causa que lo ha producido,
puesto que a partir del vector de posición tendremos su velocidad y su aceleración y,
como se verá en la segunda ley de Newton, podremos calcular la fuerza que lo produce. La posición
de la partícula r =r (t) como dato, puede ser sustituida por v = v(t) oa = a(t) con las correspondientes
condiciones de contorno, ya que están interrelacionadas entre ellas, y podemos dar
la «fuerza» en vez de la «masa» por su relación antes dicha.
Las tres leyes de Newton que también son llamadas principios, dos de ellas no lo son, la primera
y tercera pueden ser deducidas de un principio más fundamental y universal de la Física que
es el principio de conservación del momento lineal, como se verá en el párrafo VIII-4; la segunda
ley de Newton es una definición y por tanto sí será un principio. No obstante en su estudio en este
tema, las vamos a enumerar como empíricas tal y como procedió Newton.
Utilizamos en estas leyes el concepto abstracto de PARTÍCULA (o PUNTO MATERIAL) que por definición
(párrafo III-3), al referirnos a un cuerpo le excluye de su geometría y de su posible movimiento
de rotación en torno a un eje que pase por ella. Un ejemplo que utilizamos en muchos problemas,
y que puede ayudarnos a comprender, por su sencillez y empleo en la Física más elemental,
es la consideración de un cuerpo como una partícula con su misma masa localizada en su centro
de gravedad (CG), sobre la que actúa el «peso» y otras fuerzas exteriores a él que situamos también
en tal punto.
V – 2. Primera ley de Newton. Concepto de fuerza. Estática de la partícula
La observación desde un sistema inercial de la naturaleza nos lleva a la conclusión de la siguiente
ley:
«Ninguna partícula es capaz por sí misma de modificar su estado de reposo o variar su velocidad;
en definitiva: es incapaz de producirse una aceleración; para que esta se produzca
es necesario que otra u otras partículas actúen sobre ella».
Así un cuerpo en el suelo horizontal está en reposo y permanecerá en él, y suponemos que la
superficie sobre la que se encuentra «equilibra» la interacción entre la Tierra y él, y solamente se
moverá cuando lo impulsemos con otro. Una pelota que rueda se para por la acción del «rozamiento»
con el suelo, una bala al atravesar una tabla disminuye su velocidad por la acción de ésta
sobre la bala. La variación de la dirección de la velocidad de un cuerpo, es también provocada por
la acción de otro sobre él; así una pelota cambia el sentido de su velocidad al chocar contra la pared
o por efecto del viento sobre ella.
La invariabilidad de la componente horizontal de la velocidad de los proyectiles en su vuelo en
el vacío es debida a que sobre ellos y en esa dirección no actúa ningún otro cuerpo.