Historia del concepto físico
Las cuestiones acerca de las causas del
movimiento surgieron en la mente del hombre hace más de 25 siglos, pero las
respuestas que hoy conocemos no se desarrollaron hasta los tiempos deGalileo Galilei (1564–1642) y Sir. Issac Newton (1642–1727).
§
Anaximandro pensaba
que la naturaleza procedía
de la separación, por medio de un eterno movimiento, de los elementos opuestos
(por ejemplo, (frío-calor), que estaban encerrados en algo llamado materia primordial.
§
Demócrito decía
que la naturaleza está formada por piezas indivisibles de materia llamadas átomos, y que el movimiento era la principal
característica de éstos, siendo el movimiento un cambio de lugar en el espacio.
§
Aristóteles rechaza
la tarea de retomar el concepto de átomo, de Democrito, y de la energía, de Aristóteles, definiendo a la
energía como indeterminación absoluta de la materia, lo que comprendemos como
materia no másica y a los cuerpos como determinación absoluta de la materia, lo
que comprendemos como materia másica. Recordemos que Epícuro es el primer
físico absoluto, de ahí se dan dos importantes rasgos, que los cuerpos
percibidos son materiales y que la energía, que provoca el movimiento en estos,
también es material.
La importancia de esta tesis, epicúrea, es
inconmensurable en la historia de la física, debido a que resuelve las
problemáticas de las tesis expuestas antes de esta, y posteriormente tiene
influencia en la física, sobre todo a partir de los s.XVI y s.XVII, gracias al
redescubrimiento de Poggio Bracciolini y de Pierre Gassendi de las obras de Epícuro. Un ejemplo
claro de influencia esta en Isaac Newton, que de hecho desvirtuó la
teoría, llegando así a errores en su Ley de
gravitación universal, un error claro es el fundamento que da al
movimiento en la gravedad, analógicamente comparado con el determinismo mecanicista
de Demócrito. Quienes que confirmaron
definitivamente, con sus trabajos, la tesis de Epícuro fueron Max Planck y Albert Einstein, después de veintiún siglos de
duda sobre la tesis de Epícuro.
§
Lucrecio, para evitar el determinismo
mecanicista, ya criticado por Aristóteles, toma el pensamiento de Epicuro e
introduce la tesis de que los átomos caen en el vacío y experimentan por sí
mismos una declinación que les permite encontrarse. De esta forma se trata de
imponer un cierto orden a la idea original que suponía que las cosas se
formaban con un movimiento caótico de átomos.
§
A partir de Galileo, los hombres de ciencia comenzaron a
desarrollar técnicas de análisis que permitían una descripción
cuantificable del fenómeno.
Estudios del movimiento
El gran filósofo griego Aristóteles (384 a . C. – 322 a . C.) propuso
explicaciones sobre lo que ocurría en la naturaleza, considerando las
observaciones que hacía de las experiencias cotidianas y su razonamiento,
aunque no se preocupaba por comprobar sus afirmaciones. Aristóteles formuló su teoría sobre
la caída de los cuerpos afirmando que los más pesados caían más
rápido que los más ligeros, es decir entre más peso tengan los cuerpos más rápido caen.
Esta teoría fue aceptada por casi dos mil años hasta que en el siglo XVII Galileo realiza
un estudio más cuidadoso sobre el movimiento de los cuerpos y su caída, sobre
la cual afirmaba: "cualquier velocidad, una vez impartida a un cuerpo se
mantendrá constantemente, en tanto no existan causas deaceleración o
retardamiento, fenómeno que se observará en planos horizontales donde la fricción se
haya reducido al mínimo" Esta afirmación lleva consigo el principio de la inercia de
Galileo la cuál brevemente dice: "Si no se ejerce ninguna fuerza sobre un
cuerpo, éste permanecerá en reposo o se
moverá en línea recta con
velocidad constante" . El fue estudiando los movimientos de diversos
objetos en un plano inclinado y observó que en el caso de planos con pendiente descendente a una causa de
aceleración, mientras que en los planos con pendiente ascendente hay una causa
de retardamiento. De esta experiencia razonó que cuando las pendientes de los
planos no son descendentes ni ascendentes no debe haber aceleración ni
retardamiento por lo que llegó a la conclusión de que cuando el movimiento es a
lo largo de un plano horizontal debe ser permanente. Galileo hizo un estudio
para comprobar lo que había dicho Aristóteles acerca de la caída de los
cuerpos, para hacerlo se subió a lo más alto de la torre de Pisa y soltó dos objetos de distinto peso;
y observó que los cuerpos caen a la misma velocidad sin importar su peso,
quedando así descartada la teoría de la caída de los cuerpos de Aristóteles.
Cinemática
Una
masa colgada de un muelle se mueve con un movimiento armónico simple.
La Cinemática (del griego κινεω, kineo, movimiento) es la rama
de la mecánica clásica que estudia las leyes del movimiento
de los cuerpos sin tener en cuenta las causas que lo producen, limitándose,
esencialmente, al estudio de la trayectoria en
función del tiempo.
En la Cinemática se utiliza un sistema de
coordenadas para
describir las trayectorias, denominado sistema de referencia.
La velocidad es
el ritmo con que cambia la posición un cuerpo. La aceleración es
el ritmo con que cambia su velocidad. La velocidad y la aceleración son las dos
principales cantidades que describen cómo cambia su posición en función del
tiempo.
El estudio de la cinemática usualmente
empieza con la consideración de casos particulares de movimiento con
características particulares. Usualmente se empieza el estudio cinemático
considerando el movimiento de una partícula o cuerpo cuya estructura y
propiedades internas pueden ignorarse para explicar su movimiento global. Entre
los movimientos que puede ejecutar una partícula material libre son
particularmente interesantes los siguientes:
§
Movimiento
rectilíneo uniforme. Un movimiento es
rectilíneo cuando describe una trayectoria recta.
§
Movimiento circular. El
movimiento circular es el que se basa en un eje de giro y radio constante: la
trayectoria será una circunferencia. Si, además, la velocidad de giro es
constante, se produce el movimiento circular uniforme, que es un caso particular
de movimiento circular, con radio fijo y velocidad angular referente. En este
caso la velocidad vectorial no es constante, aunque sí puede ser constante la celeridad (o
módulo de la velocidad).
§
Movimiento
armónico simple, que es un tipo de movimiento
oscilatorio ejecutado por una partícula a partir de un centro o punto de equilibiro.
§
Movimiento parabólico. Se
denomina movimiento parabólico al realizado por un objeto cuya trayectoria
describe una parábola. En mecánica clásica se corresponde con la trayectoria
ideal de un proyectil que se mueve en un medio que no ofrece resistencia al
avance y que está sujeto a un campo gravitatorio uniforme. También es posible
demostrar que puede ser analizado como la composición de dos movimientos
rectilíneos, un movimiento rectilíneo uniforme horizontal y movimiento
rectilíneo uniformemente acelerado vertical. Se corresponde con la trayectoria
ideal de un proyectil que se mueve en un medio que no ofrece resistencia al
avance y que está sujeto a un campo gravitatorio uniforme. También es posible
demostrar que puede ser analizado como la composición de dos movimientos
rectilíneos, un movimiento rectilíneo uniforme horizontal y movimiento
rectilíneo uniformemente acelerado vertical.
§
Movimiento pendular. El
movimiento pendular es una forma de desplazamiento que presentan algunos
sistemas físicos como aplicación práctica de movimiento cuasi-armónico. Existen
diversas variantes de movimiento pendular: péndulo simple, péndulo de torsión y
péndulo físico.
Los tres primeros son de interés tanto en
mecánica clásica, como en mecánica relativista y mecánica cuántica. Mientras
que el movimiento parabólico y el movimiento pendular son de interés casi
exclusivamente en la mecánica clásica. El movimiento armónico simple también es
interesante en mecánica cuántica para aproximar ciertas propiedades de los
sólidos a nivel atómico.
Cuando se consideran medios
continuos o medios
materiales exendidos el movimiento de los cuerpos es más complejo ya que se
requiere describir como se mueve cada punto material que forma parte del
cuerpo. Algunos de los más simples de este tipo de movimiento son:
§
Movimiento de
sólido rígido, es el que se da en un sólido cuyas
partículas se mueven conjuntamente de tal manera que las distancias relativas
entre ellas permanencen constantes a lo largo del tiempo.
§
Movimiento
ondulatorio, se denomina movimiento ondulatorio al
movimiento que se da sobre un medio continuo en el que una perturbación se
propaga desde una partícula a las partículas vecinas sino que exista un flujo
neto de masa, aun cuando sí halla transporte de energía en el medio.
Bastante más complejos matemáticamente
resulta el movimiento de cuerpos deformables (que en el caso más simple posible
se consideran como sólidos elásticos) y el de los fluidos (el caso más simple
es el de un fluido incompresible y sin viscosidad). El caso más general de los
medios continuos es matemáticamente muy complejo e involucra la resolución de ecuaciones
diferenciales en derivadas parciales no lineales y
que en términos prácticos sólo pueden resolverse de manera aproximada mediane
métodos numéricos.
Movimiento rectilíneo
Un movimiento
es rectilíneo cuando describe
una trayectoria recta.
En ese tipo de movimiento la aceleración y la velocidad son siempre paralelas.
Usualmente se estudian dos casos particulares de movimiento rectilíneo:
§
El movimiento
rectilíneo uniforme cuya
trayectoria además de ser una línea recta se recorre a velocidad constante, es
decir, con una aceleración nula. Esto implica que la velocidad media entre dos
instantes cualesquiera siempre tendrá el mismo valor. Además la velocidad
instantánea y media de este movimiento coincidirán.
§
El Movimiento
rectilíneo uniformemente acelerado es
aquél en el que un cuerpo se desplaza sobre una recta con
aceleración constante. Esto implica que en cualquier intervalo de tiempo, la
aceleración del cuerpo tendrá siempre el mismo valor. Por ejemplo la caída libre de
un cuerpo, con aceleración de la gravedad constante.
Movimiento circular
El movimiento
circular es el que se basa en
un eje de
giro y radio constante: la trayectoria será
una circunferencia. Si, además, la velocidad de
giro es constante, se produce el movimiento circular uniforme, que es un caso
particular de movimiento circular, con radio fijo y velocidad angular constante.
No se puede decir que la velocidad es
constante ya que, al ser una magnitud vectorial esta tiene módulo y
dirección. El módulo de la velocidad permanece constante durante todo el
movimiento pero la dirección está constantemente cambiando, siendo en todo
momento tangente a la trayectoria circular. Esto implica la
presencia de una aceleración que,
si bien en este caso no varía al módulo de la velocidad, si varía su dirección.
Onda estacionaria formada por la interferencia entre una
onda (azul) que avanza hacia laderecha y una onda (roja) que avanza hacia laizquierda.
Movimiento ondulatorio.
Se denomina movimiento
ondulatorio al realizado por
un objeto cuya trayectoria describe una ondulación. Se corresponde con la trayectoria
ideal de un cuerpo que se mueve en un medio que no ofrece resistencia al avance
y que está sujeto a un campo gravitatorio
uniforme. También es posible demostrar que puede ser analizado como
la composición de dos movimientos rectilíneos, un movimiento rectilíneo
uniforme horizontal y
movimiento rectilíneo uniformemente acelerado vertical.
Un tipo de movimiento ondulatorio frecuente,
el sonido que
involucra la propagación en
forma de ondas elásticas longitudinales (sean audibles o no),
generalmente a través de un fluido (u
otro medio elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.
Movimiento parabólico
Se denomina movimiento
parabólico al realizado por
un objeto cuya trayectoria describe una parábola.
Se corresponde con la trayectoria ideal de un cuerpo que se mueve en un medio,
que no ofrece resistencia al avance y que está sujeto a un campo gravitatorio
uniforme. También es posible demostrar que puede ser analizado como
la composición de dos movimientos rectilíneos, un movimiento rectilíneo
uniforme horizontal y
movimiento rectilíneo uniformemente acelerado vertical.
Movimiento pendular.
El movimiento
pendular es una forma de desplazamiento que presentan algunos sistemas físcos
como aplicación práctica al movimiento armónico simple. A continuación hay tres
características del movimiento pendular que son: péndulo simple, péndulo de torsión y péndulo físico.
Se llama movimiento - a la trayectoria que un
objeto describe después de haber sido lanzado desde un punto cualquiera del
espacio. Si el objeto tiene una densidad de masa suficientemente grande, los
experimentos muestran que, a menudo, se puede despreciar la resistencia del
aire y suponer que la aceleración del mismo es debida sólo a la gravedad.
Movimiento armónico simple
Las
ondas pueden ser representadas por un movimiento
armónico simple.
El movimiento
armónico simple (se abrevia
m.a.s.), también denominado movimiento
vibratorio armónico simple (abreviado
m.v.a.s.), es un movimiento periódicoque
queda descrito en función del tiempo por
una función armónica (seno o coseno). Si la descripción de
un movimiento requiriese más de una función armónica, en general sería un
movimiento armónico, pero no un m.a.s..
En el caso de que la trayectoria sea
rectilínea, la partícula que realiza un m.a.s. oscila alejándose y acercándose
de un punto, situado en el centro de su trayectoria, de tal manera que su posición en
función del tiempo con
respecto a ese punto es una sinusoide. En este movimiento, la fuerza que
actúa sobre la partícula es proporcional a su desplazamiento respecto a dicho
punto y dirigida hacia éste.
Movimiento giroscópico
De acuerdo con la mecánica del sólido rígido,
además de la rotación alrededor de su eje de simetría, un giróscopo presenta en
general dos movimientos principales: la precesión y
la nutación.
En un giroscopio debemos tener en cuenta que
el cambio en el momento angular de la rueda debe darse en la dirección
del momento de
la fuerza que
actúa sobre la rueda.
Características del movimiento
La descripción del movimiento de partículas
puntuales o corpúsculos (cuya estructura interna no se requiere para describir
la posición general de la partícula) es similar en mecánica clásica y mecánica
relativista. En ambas el movimiento es una curva parametrizada por un parámetro
escalar. En la descripción de la mecánica clásica el parámetro es el tiempo
universal, mientras que en realitvidad se usa el intervalo relativista ya que el tiempo propio percibido por la partícula y el tiempo
medido por diferentes observadores no coincide.
La descripción cuántica del movimiento es más
compleja ya que realmente la descripción cuántica del movimiento no asume
necesariamente que las partículas sigan una trayectoria de tipo clásico
(algunas interpretaciones
de la mecánica cuántica sí
asumen que exista una trayectoria única, pero otras formulaciones prescinden
por completo del concepto de trayectoria), por lo que en esas formulaciones no
tiene sentido hablar ni de posición, ni de velocidad.
Sin embargo, todas las teorías físicas del
movimiento atribuyen al movimiento una serie de características o atributos
físicos como:
§
Posición
§
La cantidad de movimiento lineal
§
La cantidad de movimiento angular
§
La fuerza existente sobre la partícula
En mecánica clásica y mecánica relativista
todos ellos son valores numéricos medibles, mientras que en mecánica cuántica
esas magnitudes son en general variables aleatorias para las que es posible
predecir sus valores medios, pero no el valor exacto en todo momento.
Trayectoria
Un relámpago es
el destello emitido por una corriente eléctrica,
la trayectoria de los electrones de dicha corriente es una trayectoria [aproximable
por un] fractal.
En mecánica clásica y mecánica relativista,
la trayectoria es el lugar geométrico de las posiciones sucesivas por las que
pasa un cuerpo en su movimiento. La trayectoria depende del sistema de
referencia en el que se describa el movimiento; es decir el punto de vista del
observador.
Posición y desplazamiento
En mecánica clásica es perfectamente posible
definir unívocamente la longitud Lc de la trayectoria o camino recorrido
por un cuerpo. También puede definirse sin ambigüedad la distancia d que hay entre un punto inicial y el
final de su trayectoria; está representado por la longitud de la línea recta
que une el punto inicial con el punto final. Ambas magnitudes están
relacionadas por la desigualdad siguiente:
En relatividad especial sin embargo el
concepto de desplazamiento de un móvil o longitud recorrida depende del
observador y aunque para cada observador la longitud recorrida es mayor o igual
que el desplazamiento alcanzado no puede definirse de manera objetiva una
"longitud recorrida" por el móvil en la que puedan coincidir todos
los observadores.
Velocidad y rapidez
Vuelo
del F-22 Raptor a velocidad supersónica.
La velocidad es una magnitud física de carácter vectorial que
expresa el desplazamiento de un objeto por
unidad de tiempo. En el lenguaje cotidiano se emplea las palabras rapidez y velocidad de
manera indistinta. En física se hace una distinción entre ellas. De manera muy
sencilla, la diferencia es que la velocidad es la rapidez en una dirección
determinada. Cuando se dice que un auto viaja a 60 km/hora se está indicando su
rapidez. Pero al decir que un auto se desplaza a 60 km/h hacia el norte se está especificando su velocidad. La
rapidez describe qué tan aprisa se desplaza un objeto; la velocidad describe
que tan aprisa lo hace y en que dirección.
La velocidad de movimiento en un instante dado
depende del observador tanto en mecánica clásica como en teoría de la
relatividad. En mecánica cuántica la velocidad de un móvil al igual que su
trayectoria no tiene porqué estar definida en un instante dado, de acuerdo con
algunas interpretaciones de la teoría. El fenómenos del Zitterbewegung sugiere que un electrón podría tener
un movimiento oscilatorio transversal alrededor de lo que su
"trayectoria" clásica (es decir, el camino que debería seguir si la
descripción clásica fuera correcta).
La rapidez o
también llamada celeridad es
la relación entre la distancia recorrida
y el tiempo empleado
en recorrerla. Un auto, por ejemplo, recorre un cierto número de kilómetros en
una hora que puede ser de 110km/h. La rapidez
es una medida de
que tan veloz se mueve un objeto. Es la razón decambio a la que se recorre la distancia, ya
que la expresión razón de cambio indica que estamos dividiendo alguna
cantidad entre el tiempo, por lo tanto, la rapidez se
mide siempre en términos de una unidad de
distancia divida entre una unidad de tiempo.
Aceleración
En física el
término aceleración es
una magnitud vectorial que se aplica tanto a los aumentos
como a las dismninuciones de rapidez en
una unidad de tiempo, por ejemplo, los frenos de un
auto pueden producir grandes aceleraciones retardantes, es decir, pueden
producir un gran decremento por segundo de su rapidez. A esto se le suele
llamar desaceleración o aceleración negativa. El término aceleración se aplica
tanto a cambios de rapidezcomo a cambios de dirección. Si
recorres una curva con una rapidez constante de 50 km/h , sientes los
efectos de la aceleración como una tendencia a inclinarte hacia el exterior de
la curva (inercia). Se puede recorrer la curva con
rapidez constante, pero la velocidad no es constante ya que la dirección cambia
a cada instante, por lo tanto, el estado de movimiento cambia, es decir, se
está acelerando.
La aceleración normal es una medida de la
curvatura de la trayectoria, diferentes observadores en movimiento no uniforme
respecto a ellos observarán fuerzas y aceleraciones diferentes y por tanto
trayectorias diferentes. Si un observador inercial examina la trayectoria de
una partícula que se mueve en línea recta y con velocidad uniforme (tayectoria
de curvatura cero), cualquier otro observador inercial verá la partícula
moverse en línea recta y con velocidad uniforme (aunque no la misma recta), en
el caso de observdores arbitrarios en movimiento acelerado entre ellos las
formas de las trayectorias pueden diferir notablemente, ya que al medir los dos
observadores aceleraciones completamente diferentes, la trayectoria de la
partícula se curvará de maneras muy diferentes para uno y otro observador.
Fuerza
En física, la fuerza es una magnitud física que mide la intensidad del intercambio
de momento lineal entre dos partículas o
sistemas de partículas (en lenguaje de la física de partículas se habla de
interacción). Según una definición clásica, fuerza es todo agente capaz de
modificar la cantidad de
movimiento o la forma
de los cuerpos materiales.
En el Sistema
Internacional de Unidades, la fuerza se mide en "Newtons (N)".
Energía
En física, la energía se define como la capacidad
para realizar un trabajo, se manifiesta
en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo (movimiento), deformarlo o
calentarlo. La energía no es un estado físico real, ni una "sustancia
intangible" sino una magnitud escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una
herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas físicos.
Por ejemplo, se puede decir que un sistema con energía cinética nula está en reposo. La energía se mide con la unidad "joule (J)".
Movimiento en mecánica
clásica
La
primera y segunda ley de Newton, en latín, en la edición original de su obra Principia
Mathematica.
Una ley
de movimiento es una relación
cuantitiva entre variables necesarias para describir el movimiento de los
cuerpos. Históricamente la mecánica clásica surgió tras la formulación por
parte de Isaac Newton de teres "leyes" cuantitativas que describían
el movimiento de una partícula material.
Leyes de Newton
Las Leyes
de Newton, también conocidas como Leyes del movimiento de Newton, son tres
principios a partir de los cuales se explican la mayor parte de los problemas
planteados por la dinámica, en particular aquellos relativos al
movimiento de los cuerpos. Revolucionaron los conceptos básicos de la física y
el movimiento de los cuerpos en el universo.
En tanto que constituyen los cimientos no
sólo de la dinámica clásica sino también de la física clásica en general. Aunque incluyen ciertas
definiciones y en cierto sentido pueden verse como axiomas, Newton afirmó
que estaban basadas en observaciones y
experimentos cuantitativos;
ciertamente no pueden derivarse a partir de otras relaciones más básicas. La
demostración de su validez radica en sus predicciones y la validez de esas
predicciones fue verificada en todos y cada uno de los casos durante más de dos
siglos.
Los estudios que el realizó se pueden definir
con las siguientes tres leyes que postuló:
§
La primera ley del movimiento rebate la idea aristotélica de
que un cuerpo sólo puede mantenerse en movimiento si se le aplica una fuerza.
Newton expone que:
Todo cuerpo permanece en su
estado inicial de reposo o movimiento uniforme rectilíneo a menos que sobre él
se ejerza una fuerza exterior no equilibrada.
El
ser la primera de las tres leyes de Newton suele inducir a un error muy común
atribuyendo el descubrimiento de esta propiedad al propio Newton cuando, en
realidad, fue Galileo Galilei en el siglo XVI el primero en
observar, estudiar y formalizar dicha propiedad y posteriormente, ya en el
siglo XVII, fue tomada por Newton. Esta ley postula, por tanto, que un cuerpo
no puede cambiar por sí solo su estado inicial, ya sea en reposo o en
movimiento rectilíneo uniforme, a menos que se aplique una fuerza o una serie
de fuerzas cuyo resultante no sea nulo sobre él. Newton toma en cuenta, así, el
que los cuerpos en movimiento están sometidos constantemente a fuerzas de roce
o fricción, que los frena de forma progresiva, algo novedoso respecto de
concepciones anteriores que entendían que el movimiento o la detención de un
cuerpo se debía exclusivamente a si se ejercía sobre ellos una fuerza, pero
nunca entendiendo como esta a la fricción.
§
La segunda ley del movimiento de Newton
afirma que:
El cambio de movimiento es
proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo
largo de la cual aquella fuerza se imprime.
Esta ley explica qué ocurre si sobre un
cuerpo en movimiento (cuya masa no tiene por qué ser constante) actúa una
fuerza neta: la fuerza modificará el estado de movimiento, cambiando la
velocidad en módulo o dirección. En concreto, los cambios experimentados en la
cantidad de movimiento de un cuerpo son proporcionales a la fuerza motriz y se
desarrollan en la dirección de esta; esto es, las fuerzas son causas que
producen aceleraciones en los cuerpos. A diferencia de la primera ley de Newton
que es descriptiva, la segunda ley también conocida como ley del movimiento
permite calcular cuantitativamente las fuerzas, las masas y aceleraciones de
los cuerpos.
Donde:
F,
fuerza que se mide en Newton (N)
m,
masa que se mide en kilogramos o gramos (Kg, g)
a,
aceleración que se mide en metros sobre segundos al cuadrado (m/s2)
Nota: hay que tomar en cuenta que 1 N= kg m/s2
§
La
Tercera ley de Newton afirma que:
Con toda acción ocurre
siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones mutuas de dos
cuerpos siempre son iguales y de dirección contraria.
La
tercera ley es completamente original de Newton (pues las dos primeras ya
habían sido propuestas de otras maneras por Galileo, Hooke y Huygens) y
hace de las leyes de la mecánica un conjunto lógico y completo. Expone que por
cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, este realiza una fuerza de igual
intensidad, pero de dirección contraria sobre el cuerpo que la produjo. Dicho
de otra forma, las fuerzas, situadas sobre la misma recta, siempre se presentan
en pares de igual magnitud y opuestas en dirección. Es importante observar que
este principio
de
acción y reacción relaciona dos fuerzas que no están aplicadas al mismo cuerpo,
produciendo en ellos aceleraciones diferentes, según sean sus masas.
Por lo demás, cada una de esas fuerzas
obedece por separado a la segunda ley. Junto con las anteriores leyes, ésta
permite enunciar los principios de conservación del momento lineal y delmomento angular.
Cinemática clásica y sus
fundamentos
La cinemática trata del estudio del
movimiento de los cuerpos en general, y, en particular, el caso simplificado
del movimiento de un punto material. Para sistemas de muchas
partículas, tales como los fluidos, las leyes de movimiento se estudian en la mecánica de fluidos.
El movimiento trazado por una partícula lo mide un observador respecto a un sistema de referencia.
Desde el punto de vista matemático, la Cinemática expresa cómo varían las coordenadas de posición de
la partícula (o partículas) en función del tiempo. La función que describe la trayectoria recorrida
por el cuerpo (o partícula) depende de la velocidad (la
rapidez con la que cambia de posición un móvil) y de la aceleración (variación
de la velocidad respecto del tiempo).
El movimiento de una partícula (o cuerpo
rígido) se puede describir según los valores de velocidad y aceleración, que
son magnitudes vectoriales.
·
Si la aceleración es nula, da lugar a un movimiento
rectilíneo uniforme y
la velocidad permanece constante a lo largo del tiempo.
·
Si la aceleración es constante con igual
dirección que la velocidad, da lugar al movimiento
rectilíneo uniformemente acelerado y
la velocidad variará a lo largo del tiempo.
·
Si la aceleración es constante con dirección
perpendicular a la velocidad, da lugar al movimiento
circular uniforme, donde el módulo de la velocidad es constante,
cambiando su dirección con el tiempo.
·
Cuando la aceleración es constante y está en
el mismo plano que la velocidad y la trayectoria, tenemos el caso del movimiento parabólico,
donde la componente de la velocidad en la dirección de la aceleración se
comporta como un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, y la componente
perpendicular se comporta como un movimiento rectilíneo uniforme, generándose
una trayectoria parabólica al componer ambas.
·
Cuando la aceleración es constante pero no
está en el mismo plano que la velocidad y la trayectoria, se observa el efecto de Coriolis.
·
En el movimiento
armónico simple se
tiene un movimiento periódico de vaivén, como el del péndulo, en el cual un cuerpo oscila a un lado
y a otro desde la posición de equilibrio en una dirección determinada y en
intervalos iguales de tiempo. La aceleración y la velocidad son funciones, en
este caso, sinusoidales del tiempo.
Al considerar el movimiento de traslación de
un cuerpo extenso, en el caso de ser rígido, conociendo como se mueve una de
las partículas, se deduce como se mueven las demás. Así basta describir el
movimiento de una partícula puntual tal como el centro de masa del cuerpo para especificar el
movimiento de todo el cuerpo. En la descripción del movimiento de rotación hay
que considerar el eje de rotación respecto del cual rota el cuerpo y la
distribución de partículas respecto al eje de giro. El estudio del movimiento
de rotación de un sólido rígido suele incluirse en la temática de la mecánica del
sólido rígido por ser
más complicado. Un movimiento interesante es el de una peonza, que al girar puede tener un movimiento de precesión y
de nutación
Cuando un cuerpo posee varios movimientos
simultáneamente, tal como uno de traslación y otro de rotación, se puede
estudiar cada uno por separado en el sistema de referencia que sea apropiado
para cada uno, y luego, superponer los movimientos.
Ecuaciones de movimiento en
mecánica clásica
Históricamente el primer ejemplo de ecuación
del movimiento que se introdujo en física fue la segunda ley de Newton para sistemas físicos compuestos de
agregados partículas materiales puntuales. En estos sistemas el estado dinámico
de un sistema quedaba fijado por la posición y velocidad de todas las
partículas en un instante dado. Hacia finales del siglo XVIII se introdujo la
mecánica analítica o racional, como generalización de las leyes de Newton
aplicables a sistemas de referencia inerciales. Se concibieron dos enfoques
básicamente equivalentes conocidos como mecánica lagrangiana y mecánica
hamiltoniana, que pueden llegar a un elevado grado de abstracción y
formalización. Los ejemplos clásicos de ecuación del movimiento más conocidos
son:
2.
Las ecuaciones de
Euler-Lagrange que
aparecen en mecánica lagrangiana:
3. Las
ecuaciones de Hamilton que aparecen en mecánica hamiltoniana:
Mecánica newtoniana
Históricamente el concepto
de cantidad de movimiento surgió en el contexto de la mecánica newtoniana en
estrecha relación con el concepto de velocidad y el de masa. En mecánica
newtoniana se define la cantidad de movimiento lineal como el producto de la
masa por la velocidad:
La idea intuitiva tras esta definición está
en que la "cantidad de movimiento" dependía tanto de la masa como de
la velocidad: si se imagina una mosca y un camión, ambos moviéndose a 40 km/h , la experiencia
cotidiana dice que la mosca es fácil de detener con la mano mientras que el
camión no, aunque los dos vayan a la misma velocidad. Esta intuición llevó a
definir una magnitud que fuera proporcional tanto a la masa del objeto móvil
como a su velocidad.
Mecánica lagrangiana y
hamiltoniana
En las formulaciones más abstractas de la mecánica clásica,
como la mecánica lagrangiana y la mecánica hamiltoniana,
además del momento lineal y del momento angular se pueden definir otros momentos,
llamados momentos generalizados o momentos conjugados, asociados a cualquier
tipo de coordenada
generalizada. Se generaliza así la noción de momento. Si se tiene un
sistema mecánico definido por su lagrangiano L definido en términos de las
coordenadas generalizadas (q1,q2,...,qN)
y las velocidades generalizadas, entonces el momento conjugado de la coordenada qi viene dado por:
Cuando la coordenada qi es una de las coordenadas de un
sistema de coordenadas cartesianas, el momento conjugado coincide con una de
las componentes del momento lineal, y, cuando la coordenada generalizada
representa una coordenada angular o la medida de un ángulo, el momento
conjugado correspondiente resulta ser una de las componentes del momento
angular.
Ejemplo de campo vectorial no conservativocuyo rotacional no
se anula.
Cantidad de movimiento de
un medio continuo
Si estamos interesados en averiguar la
cantidad de movimiento de, por ejemplo, un fluido que se mueve según un campo de velocidades es necesario sumar la cantidad de
movimiento de cada partícula del fluido, es decir, de cada diferencial de masa o elemento infinitesimal:
Magnitudes asociadas al movimiento
Trabajo
Trabajo
realizado por una fuerza constante.
En mecánica clásica,
el trabajo que realiza una fuerza se
define como el producto de ésta por el camino que recorre su punto de
aplicación y por el coseno del ángulo que
forman el uno con el otro.5 El
trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra (del inglés Work) y se expresa en unidades
de energía, esto es en julios o joules (J) en el Sistema
Internacional de Unidades.
Matemáticamente se expresa com
Donde es
el trabajo mecánico, es la
magnitud de la fuerza, es
el desplazamiento y es
el ángulo que forman entre sí el vector fuerza y el vector desplazamiento
(véase dibujo).
Cuando el vector fuerza es perpendicular al vector desplazamiento del cuerpo
sobre el que se aplica, dicha fuerza no realiza trabajo alguno. Asimismo, si no
hay desplazamiento, el trabajo también será nulo.
Transformaciones de la
energía mecánica
En la naturaleza se
realizan diferentes transformaciones de energía. Los seres humanos siempre han necesitado
energía para mover los objetos. Cuando se logra que un objeto se mueva o cambie
de lugar, decimos que se produce un trabajo mecánico.
Los alimentos son
la fuente de energía que las personas necesitan y requieren para aplicar una fuerza y así
mismo mover un objeto o cuerpo, y algunas máquinas necesitan
la energía química de los combustibles como la gasolina o
el diésel para
poder funcionar y mover un objeto y así mismo generar el trabajo.
Cuanta más energía posea un
objeto, este tendrá mayor capacidad de realizar un trabajo
Al girar de las ruedas, al fluir el agua, el
vuelo de las aves, el galopar de un caballo, al correr una persona, todos los movimientos
sin excepción son manifestaciones de una forma de energía activa, que permite
el movimento, por lo que es llamada energía cinética.
Los cuerpos no siempre están en movimiento y
no quiere decir que estos no tengan energía, al contrario si la hay por lo que
se llama energía potencial. Por ejemplo un automóvil situado
en la cumbre de una montaña parado este posee energía potencial debido a su posición y
su reposo, sin embargo al descender esa energía potencial se
convertirá en energía cinética ya que el automóvil cambio de un estado de
reposo a un estado en movimiento.
La energía potencial se expresa:
Donde:
m = masa
g = aceleración de la gravedad
h = altura
m = masa
g = aceleración de la gravedad
h = altura
Registro del movimiento
La tecnología hoy en día nos ofrece muchas
formas de registrar el movimiento efectuado por un cuerpo. Así, para medir la
velocidad se dispone del radar de tráfico cuyo funcionamiento se basa en el efecto Doppler. El taquímetro es
un indicador de la velocidad de un vehículo basado en la frecuencia de rotación
de las ruedas. Los caminantes disponen de podómetros que
detectan las vibraciones características del paso y, suponiendo una distancia
media característica para cada paso, permiten calcular la distancia recorrida.
El vídeo, unido al análisis informático de las imágenes, permite igualmente
determinar la posición y la velocidad de los vehículos.
Movimiento molecular
Ejemplo
de de una simulación de un sistema simple por el método de dinámica molecular:
deposición de un Átomo de Cu en una superficie de Cu (001).
Cada círculo ilustra la posición de unátomo; note que las verdaderas interacciones
atómicas usadas en simulación son más complejas que las bidimensionales
mostradas en la figura.
La dinámica
molecular (DM) es una
técnica de simulación en
la que se permite que átomos y moléculas interactúen por un período,
permitiendo una visualización del movimiento de las partículas. Originalmente
fue concebida dentro de la física teórica, aunque hoy en día se utiliza sobre
todo en biofísica y ciencia de materiales.
Su campo de aplicación va desde superficies catalíticas hasta sistemas
biológicos como las proteínas. Si bien los experimentos de cristalografía de
rayos X permiten tomar
"fotografías estáticas" y la técnica de RMN nos da indicios del movimiento
molecular, ningún experimento es capaz de acceder a todas las escalas de tiempo
involucradas. Resulta tentador, aunque no es enteramente correcto, describir a la DM como un "microscopio
virtual" con alta resolución espacial y temporal.
En general, los sistemas moleculares son complejos y consisten de un gran número de
partículas, por lo cual sería imposible encontrar sus propiedades de forma
analítica. Para evitar este problema, la
DM utiliza métodos numéricos. La DM representa un punto
intermedio entre los experimentos y la teoría. Puede ser entendida como un
experimento en la computadora.
Sabemos que la materia está constituida de
partículas en movimiento e interacción al menos desde la época de Boltzmann en
el siglo XIX. Pero muchos aún se imaginan a las moléculas como los modelos
estáticos de un
museo. Richard Feynman dijo en 1963 que "todo lo que
hacen los seres vivos puede ser entendido a través de los saltos y contorsiones
de los átomos.
Una de las contribuciones más importantes de
la dinámica molecular es crear conciencia de que el DNA y las proteínas son
máquinas en movimiento. Se le utiliza para explorar la relación entre
estructura, movimiento y función.
La dinámica molecular es un campo
multidisciplinario. Sus leyes y teorías provienen de las Matemáticas, Física y Química. Emplea algoritmos de las Ciencias de la
Computación y Teoría de la
información. Permite entender a los materiales y las moléculas no
cómo entidades rígidas, sino como cuerpos animados. También se le ha llamado
"estadística mecánica numérica" o "la visión de Laplace de
la mecánica Newtoniana", en el sentido de predecir el futuro al animar las
fuerzas de la naturaleza.
Para utilizar esta técnica de forma correcta,
es importante entender las aproximaciones utilizadas y evitar caer en el error
conceptual de que estamos simulando el comportamiento real y exacto de un
sistema molecular. La integración de las ecuaciones de movimiento están mal
condicionadas, lo cual genera errores numéricos acumulativos, que pueden ser
minimizados seleccionando apropiadamente los algoritmos, pero no eliminados del
todo. Por otro lado, las interacciones entre las partículas se modelan con un campo de fuerzaaproximado,
que puede o no ser adecuado dependiendo del problema que queremos resolver. De
cualquier forma, la dinámica molecular nos permite explorar su comportamiento
representativo en el espacio fásico.
En la
DM , hay que balancear el costo computacional y la fiabilidad
en los resultados. En la DM
clásica se utilizan las Ecuaciones de Newton, cuyo costo computacional
es mucho menor que el de las de la mecánica cuántica.
Es por ello que muchas propiedades que pueden resultar de interés, como la
formación o ruptura de enlaces no
puedan ser estudiadas mediante este método ya que no contempla estados excitados o reactividad.
Existen métodos
híbridos denominados QM/MM (Quantum Mechanics/Molecular
Mechanics) en los que un
centro reactivo es tratado de modo cuántico mientras que el ambiente que lo
rodea se trata de modo clásico. El desafío en este tipo de métodos resulta en
la definición de manera precisa de la interacción entre los dos formas de
describir el sistema...El resultado de una simulación de dinámica molecular son
las posiciones y
velocidades de cada átomo de
la molécula, para cada instante en el tiempo discretizado. A esto se le llama
trayectoria.
Electrostática
Benjamin Franklin haciendo un experimento con un rayo,
que no es otra cosa que un fenómeno electrostático macroscópico.
La electrostática es la rama de la física que
estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia
de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en reposo,
sabiendo que las cargas puntuales son cuerpos cargados cuyas dimensiones son
despreciables frente a otras dimensiones del problema. La carga eléctrica es la
propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos
efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la
poseen.
Históricamente, la electrostática fue la rama
del electromagnetismo que primero se desarrolló. Con la
postulación de la Ley de Coulomb fue descrita y utilizada en
experimentos de laboratorio a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio
y explicación, y permitieron demostrar cómo las leyes de la electrostática y
las leyes que gobiernan los fenómenos magnéticos pueden ser estudiadas en el mismo
marco teórico denominado electromagnetismo.
Desarrollo histórico
Representación
de campo eléctrico producido por dos cargas.
Alrededor del 600 a. C. el filósofo griego Tales de Mileto descubrió que si frotaba un trozo de
la resina vegetal fósil llamada ámbar, en griegoélektron, este cuerpo
adquiría la propiedad de atraer pequeños objetos. Algo más tarde, otro griego, Teofrasto (310 a. C.), realizó un estudio de
los diferentes materiales que eran capaces de producir fenómenos eléctricos y
escribió el primer tratado sobre la electricidad.
A principios del siglo XVII comienzan
los primeros estudios sobre la electricidad y el magnetismo orientados a
mejorar la precisión de la navegación con brújulas magnéticas.
El físico real británico William Gilbert utiliza por primera vez la palabra
electricidad, creada a partir del término griego elektron (ámbar). El jesuita italiano Niccolo Cabeo analizó sus experimentos y fue el
primero en comentar que había fuerzas de atracción entre ciertos cuerpos y de
repulsión entre otros.
Alrededor de 1672 el físico alemán Otto von Guericke construye la primera máquina
electrostática capaz de producir y almacenar energía eléctrica estática por
rozamiento. Esta máquina consistía en una bola de azufre atravesada por una
varilla que servía para hacer girar la bola. Las manos aplicadas sobre la bola
producían una carga mayor que la conseguida hasta entonces. Francis Hawksbee perfeccionó hacia 1707la
máquina de fricción usando una esfera de vidrio.
En 1733 el francés Francois de
Cisternay du Fay propuso
la existencia de dos tipos de carga eléctrica, positiva y negativa, constatando
que:
§
Los objetos frotados contra el ámbar se
repelen.
§
También se repelen los objetos frotados
contra una barra de vidrio.
§
Sin embargo, los objetos frotados con el
ámbar atraen los objetos frotados con el vidrio.
Du Fay y Stephen Gray fueron
dos de los primeros "físicos eléctricos" en frecuentar plazas y
salones para popularizar y entretener con la electricidad. Por ejemplo, se
electriza a las personas y se producen descargas eléctricas desde ellas, como
en el llamado beso eléctrico:
se electrificaba a una dama y luego ella daba un beso a una persona no
electrificada.1
En 1745 se construyeron los primeros elementos
de acumulación de cargas, los condensadores,
llamados incorrectamente por anglicismo capacitores,
desarrollados en la Universidad
de Leyden(hoy Leiden) por Ewald
Jürgen Von Kleist y Pieter
Van Musschenbroeck. Estos instrumentos, inicialmente denominados botellas de Leyden, fueron utilizados como
curiosidad científica durante gran parte del siglo XVIII. En esta época se
construyeron diferentes instrumentos para acumular cargas eléctricas, en
general variantes de la botella de Leyden, y otros para manifestar sus
propiedades, como los electroscopios.
En 1767, Joseph Priestley publicó su obra The History and Present State of Electricity sobre la historia de la electricidad
hasta esa fecha. Este libro sería durante un siglo el referente para el estudio
de la electricidad. En él, Priestley anuncia también alguno de sus propios
descubrimientos, como la conductividad del carbón. Hasta entonces se pensaba
que sólo el agua y los metales podían conducir la electricidad.2
En 1785 el físico francés Charles Coulomb publicó un tratado en el que se
describían por primera vez cuantitativamente las fuerzas eléctricas, se
formulaban las leyes de atracción y repulsión de cargas eléctricas estáticas y
se usaba la balanza de torsión para realizar mediciones. En su honor,
el conjunto de estas leyes se conoce con el nombre de ley de Coulomb. Esta ley, junto
con una elaboración matemática más profunda a través del teorema de Gauss y la derivación de los conceptos de
campo eléctrico y potencial eléctrico, describe la casi totalidad de los
fenómenos electrostáticos.
Durante todo el siglo posterior se sucedieron
avances significativos en el estudio de la electricidad, como los fenómenos
eléctricos dinámicos producidos por cargas en movimiento en el interior de un
material conductor. Finalmente, en 1864 el físico escocés James Clerk Maxwell unificó las leyes de la electricidad y
el magnetismo en un conjunto reducido de leyes matemáticas.
Electricidad estática
La electricidad estática es un fenómeno que
se debe a una acumulación de cargas eléctricas en un objeto. Esta acumulación puede
dar lugar a una descarga eléctrica cuando dicho objeto se pone en
contacto con otro.
Antes del año 1832,
que fue cuando Michael Faraday publicó los resultados de sus
experimentos sobre la identidad de la electricidad, los físicos pensaban que la
electricidad estática era algo diferente de la electricidad obtenida por otros
métodos. Michael Faraday demostró que la electricidad inducida desde un imán,
la electricidad producida por una batería, y la electricidad estática son todas
iguales.
La electricidad estática se produce cuando
ciertos materiales se frotan uno contra el otro, como lana contra plástico o
las suelas de zapatos contra la alfombra, donde el proceso de frotamiento causa
que se retiren los electrones de la superficie de un material y se reubiquen en
la superficie del otro material que ofrece niveles energéticos más favorables.
O cuando partículas ionizadas se depositan en un material, como ocurre en los
satélites al recibir el flujo del viento solar y
de los cinturones
de radiación de Van Allen. La capacidad de electrificación de los
cuerpos por rozamiento se denomina efecto triboeléctrico;
existe una clasificación de los distintos materiales denominada secuencia
triboeléctrica.
La electricidad estática se utiliza
comúnmente en la xerografía, en filtros de aire, en algunas
pinturas de automóvil, en algunos aceleradores de
partículas subatómicas,
etc. Los pequeños componentes de los circuitos eléctrónicos pueden dañarse
fácilmente con la electricidad estática. Sus fabricantes usan una serie de dispositivos
antiestáticos y
embalajes especiales para evitar estos daños. Hoy la mayoría de los componentes semiconductores de efecto de campo, que son los más
delicados, incluyen circuitos internos de protección antiestática.
Aislantes y conductores
Los materiales se comportan de forma
diferente en el momento de adquirir una carga eléctrica. Así, una varilla
metálica sostenida con la mano y frotada con una piel no resulta cargada. Sin
embargo, sí es posible cargarla cuando al frotarla se usa para sostenerla un
mango de vidrio o de plástico y
el metal no se toca con las manos al frotarlo. La explicación es que las cargas
pueden moverse libremente entre el metal y el cuerpo humano, lo que las iría
descargando en cuanto se produjeran, mientras que el vidrio y el plástico no
permiten la circulación de cargas porque aíslan eléctricamente la varilla
metálica del cuerpo humano.
Esto se debe a que en ciertos materiales,
típicamente en los metales,
los electrones más
alejados de los núcleos respectivos adquieren fácilmente libertad de movimiento
en el interior del sólido. Estos electrones
libres son las partículas que
transportarán la carga eléctrica. Al depositar electrones en ellos, se
distribuyen por todo el cuerpo, y viceversa, al perder electrones, los
electrones libres se redistribuyen por todo el cuerpo para compensar la pérdida
de carga. Estas sustancias se denominan conductores.
En contrapartida de los conductores
eléctricos, existen materiales en los que los electrones están firmemente
unidos a sus respectivos átomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen
electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de
ellos. Al depositar una carga eléctrica en ellos, la electrización se mantiene
localmente. Estas sustancias son denominadas aislantes o dieléctricos. El vidrio y los plásticos son
ejemplos típicos.
La distinción entre conductores y aislantes
no es absoluta: la resistividad de los aislantes no es infinita (pero
sí muy grande), y las cargas eléctricas libres, prácticamente ausentes de los
buenos aislantes, pueden crearse fácilmente suministrando la cantidad adecuada
de energía para separar a un electrón del átomo al que esté ligado (por
ejemplo, mediante irradiación o calentamiento). Así, a una temperatura de
3000 K, todos los materiales que no se descomponen por la
temperatura, son conductores.
Entre los buenos conductores y los
dieléctricos existen múltiples situaciones intermedias. Entre ellas destacan
los materiales semiconductores por su importancia en la fabricación
de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica.
En condiciones ordinarias se comportan como dieléctricos, pero sus propiedades
conductoras se modifican mediante la adición de una minúscula cantidad de
sustancias dopantes.
Con esto se consigue que pueda variarse la conductividad del material
semiconductor como respuesta a la aplicación de un potencial eléctrico variable en su electrodo de control.
Ciertos metales adquieren una conductividad
infinita a temperaturas muy bajas, es decir, la resistencia al flujo de cargas
se hace cero. Se trata de los superconductores.
Una vez que se establece una corriente eléctrica de circuito cerrado en un
superconductor, los electrones fluyen por tiempo indefinido.
Generadores electrostáticos
Los generadores
de electricidad estática son
máquinas que producen altísimas tensiones con una muy pequeña intensidad de corriente.
Hoy se utilizan casi exclusivamente para demostraciones escolares de física.
Ejemplos de tales generadores son el electróforo, la máquina de Wimshurst y el generador de Van
de Graaff.
Al frotar dos objetos no conductores se
genera una gran cantidad de electricidad estática. En realidad, este efecto no
se debe a la fricción, pues dos superficies no conductoras pueden cargarse con
sólo apoyar una sobre la otra. Sin embargo, al frotar dos objetos aumenta el
contacto entre las dos superficies, lo que aumentará la cantidad de
electricidad generada. Habitualmente los aislantes son buenos para generar y
para conservar cargas superficiales. Algunos ejemplos de estas sustancias son
el caucho, los plásticos y
el vidrio. Los objetos conductores raramente
generan desequilibrios de cargas, excepto, por ejemplo, cuando una superficie metálica recibe el impacto de un sólido o
un líquido no
conductor, como en los transportes de combustibles líquidos. La carga que se
transfiere durante la electrificación por contacto se almacena en la superficie
de cada objeto, a fin de estar lo más separada posible y así reducir la
repulsión entre las cargas.
Carga inducida
La carga inducida se produce cuando un objeto
cargado repele o atrae los electrones de la superficie de un segundo objeto.
Esto crea una región en el segundo objeto que está con una mayor carga
positiva, creándose una fuerza atractiva entre los objetos. Por ejemplo, cuando
se frota un globo, el globo se mantendrá pegado a la pared debido a la fuerza
atractiva ejercida por dos superficies con cargas opuestas (la superficie de la
pared gana una carga eléctrica inducida pues los electrones libres de la
superficie del muro son repelidos por los electrones que ha ganado el globo al
frotarse; se crea así por inducción electrostática una superficie de carga
positiva en la pared, que atraerá a la superficie negativa del globo).
Carga por fricción
En la carga por fricción se transfiere gran
cantidad de electrones porque la fricción aumenta el contacto de un material
con el otro. Los electrones más internos de un átomo están fuertemente unidos
al núcleo, de carga opuesta, pero los más externos de muchos átomos están
unidos muy débilmente y pueden desalojarse con facilidad. La fuerza que retiene
a los electrones exteriores en el átomo varia de una sustancia a otra. Por
ejemplo los electrones son retenidos con mayor fuerza en la resina que en la
lana, y si se frota una torta de resina con un tejido de lana bien seco, se
transfieren los electrones de la lana a la resina. Por consiguiente la torta de
resina queda con un exceso de electrones y se carga negativamente. A su vez, el
tejido de lana queda con una deficiencia de electrones y adquiere una carga
positiva. Los átomos con deficiencia de electrones son iones, iones positivos
porque, al perder electrones (que tienen carga negativa), su carga neta resulta
positiva.
Carga por inducción
Se puede cargar un cuerpo por un
procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento a él de una varilla de
material aislante, cargada. Considérese una esfera conductora no cargada,
suspendida de un hilo aislante. Al acercarle la varilla cargada negativamente,
los electrones de conducción que se encuentran en la superficie de la esfera
emigran hacia el lado lejano de ésta; como resultado, el lado lejano de la
esfera se carga negativamente y el cercano queda con carga positiva. La esfera
oscila acercándose a la varilla, porque la fuerza de atracción entre el lado
cercano de aquélla y la propia varilla es mayor que la de repulsión entre el
lado lejano y la varilla. Vemos que tiene una fuerza eléctrica neta, aun cuando
la carga neta en las esfera como un todo sea cero. La carga por inducción no se
restringe a los conductores, sino que puede presentarse en todos los
materiales.
Aplicaciones
Aplicaciones
La electricidad estática se usa habitualmente
en xerografía en
la que un pigmento en polvo (tinta seca o toner) se fija en las áreas cargadas
previamente, lo que hace visible la imagen impresa.
En electrónica, la electricidad estática puede
causar daños a los componentes, por lo que los operarios han de tomar medidas
para descargar la electricidad estática que pudieran haber adquirido. Esto
puede ocurrir a una persona por frotamiento de las suelas de los zapatos (de
materiales como la goma) contra suelos de tela o alfombras, o por frotamiento
de su vestimenta contra una silla de plástico. Las tensiones generadas así
serán más altas en los días con baja humedad relativa ambiente. Hoy las
alfombras y las sillas se hacen con materiales que generen poca electricidad
por frotamiento. En los talleres de reparación o en fábricas de artefactos
electrónicos se tiene el cuidado de evitar la generación o de descargar estas
cargas electrostáticas.
Al aterrizar un avión se debe proceder a su
descarga por seguridad. En los automóviles también puede ocurrir la
electrificación al circular a gran velocidad en aire seco (el aire húmedo
produce menores cargas), por lo que también se necesitan medidas de seguridad
para evitar las chispas eléctricas.
Se piensa que la explosión en 2003 de un
cohete en el Centro
de Lanzamiento de Alcántara en Brasil, que mató a 21 personas, se debió a chispas
originadas por electricidad estática.
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