La dinámica es la parte de la física que describe la evolución en el tiempo de un sistema físico en relación a 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 la termodinámica y electrodinámica. En este artículo se desarrollaran los aspectos principales de la dinámica en sistemas mecánicos, dejándose para otros artículos el estudio de la dinámica en sistemas no-mecánicos.
*Diferencia entre masa y peso de los cuerpos
La masa de un cuerpo es una propiedad característica del mismo, que está relacionada con el número y clase de las partículas que lo forman. Se mide en kilogramos (kg) y también en gramos, toneladas, libras, onzas. El peso de un cuerpo es la fuerza con que lo atrae la Tierra y depende de la masa del mismo. Un cuerpo de masa el doble que otro, pesa también el doble. Se mide en Newtons (N) y también en kg-fuerza, dinas, libras-fuerza, onzas-fuerza.El kg es por tanto una unidad de masa, no de peso. Sin embargo, muchos aparatos utilizados para medir pesos (básculas, por ejemplo), tienen sus escalas graduadas en kg en lugar de kg-fuerza. Esto no suele representar, normalmente, ningún problema ya que 1 kg-fuerza es el peso en la superficie de la Tierra de un objeto de 1 kg de masa. Por lo tanto, una persona de 60 kg de masa pesa en la superficie de la Tierra 60 kg-Fuerza. Sin embargo, la misma persona en la Luna pesaría solo 10 kg-fuerza, aunque su masa seguiría siendo de 60 kg. Entonces, la masa no es lo mismo que el peso, que mide la atracción que ejerce la Tierra sobre una masa determinada.*¿Cuál es la relación entre la fuerza y la aceleración?
Mientras mayor sea la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo de masa constante, mayor será la aceleración que alcanzará el cuerpo. Dicho de otra manera, al duplicar la fuerza neta, se duplicará la aceleración. El enunciado de este comportamiento se expresa diciendo que la aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre el mismo.
*¿Cómo se utilizan las poleas para la determinacion de la segunda ley de Newton?
La segunda ley de la mecánica de Newton se expresa matemáticamente.
(1) El sumatorio se refiere a las fuerzas exteriores. En la práctica, dentro de las fuerzas exteriores que se pueden aplicar al cuerpo también estarán presentes las fuerzas de rozamiento.
Si el sistema mecánico está formado por dos masas enlazadas por una cuerda, como en los casos que estudiaremos, se distinguen las fuerzas exteriores al sistema y las llamadas interiores, en este caso las tensiones de las cuerdas. Si el sistema no se considera ideal habrá también que tener en cuenta las fuerzas de rozamiento e incluso la influencia de la polea.
Las fuerzas interiores no producen efecto en el movimiento del centro de masas del sistema, por lo que a efectos de la aceleración de éste, la influencia vendrá dada por las fuerzas exteriores y las de rozamiento.
En un caso ideal, la polea se considera de momento de inercia despreciable y también las fuerzas de rozamiento, con lo que no es necesario considerar momentos y la ecuación de la dinámica de la rotación, con lo que basta para resolver el problema la expresión matemática de la ley de Newton escrita en la ecuación (1).
En el experimento que hacemos, intentamos compensar las fuerzas de rozamiento dando una pequeña inclinación a la vía respecto de la horizontal y utilizamos una polea de momento de inercia pequeño y con poco rozamiento. Esto nos permitirá que nuestro sistema mecánico se gobierne aproximadamente por la ecuación (1).
Los componentes del sistema mecánico son un vagón de juguete que rueda por una vía, un portapesas y un juego de ocho pesas de 10 gramos cada una.
En el experimento se coloca primero sobre el portapesas una pesa de 10 gramos y las siete restantes sobre el vagón. Se hace una fotografía y a partir de ella se determina la aceleración del sistema. Luego se colocan en el portapesas dos pesas de 10 gramos y las seis restantes sobre el vagón, se fotografía y se determina la aceleración. El procedimiento se repite pasando pesas desde el vagón al portapesas y midiendo la aceleración en cada caso. La masa total del sistema mecánico es constante.
