Mecánica y leyes de conservación
Convierte el movimiento en predicciones usando fuerzas, momento, energía y simetría.
Construye la columna vertebral cuantitativa que necesitas para evaluar máquinas, choques, osciladores, afirmaciones de propulsión y cada libro de cuentas de energía que vendrá después.
Antes de empezar
- • Fundamentos del nivel 1
- • Resolver ecuaciones algebraicas de un paso
- • Leer gráficas de posición y de velocidad
Al terminar, podrás
- • Usar las leyes de Newton para predecir el movimiento.
- • Aplicar la conservación del momento a sistemas que interactúan.
- • Construir libros de cuentas completos de energía cinética y potencial.
- • Distinguir fuerza, impulso, potencia y energía.
Modelo interactivo
Explora antes de calcular
Lección 1 de 3
Movimiento, aceleración y fuerza neta
¿Qué interacción cambia la velocidad de un objeto, y en cuánto?
La velocidad incluye dirección; la aceleración es el ritmo al que cambia la velocidad. La segunda ley de Newton conecta ese cambio con la fuerza externa neta.
Un diagrama de fuerzas debe incluir las interacciones reales que actúan sobre el objeto elegido. El movimiento en sí no es una fuerza, y unas fuerzas equilibradas pueden acompañar a una velocidad constante distinta de cero.
Ejemplo resuelto
Un carrito de 4 kg recibe 12 N hacia delante y 4 N hacia atrás. Halla su aceleración.
- 1. Elige el sentido hacia delante como positivo.
- 2. La fuerza neta es 12 − 4 = 8 N.
- 3. Usa a = Fneta/m = 8/4.
El carrito acelera hacia delante a 2 m/s².
Pruébalo
Gráfica de movimiento a partir de un vídeo
Materiales: Un objeto que ruede, un vídeo de teléfono, una regla y marcas de tiempo iguales.
- 1. Graba el movimiento junto a una regla.
- 2. Marca la posición a intervalos de tiempo iguales.
- 3. Representa la posición frente al tiempo.
- 4. Identifica dónde cambian la pendiente y la aceleración.
Fíjate: Una gráfica de posición más inclinada significa mayor rapidez; el cambio de pendiente revela la aceleración.
Comprueba lo que entendiste: Un disco se mueve hacia la derecha con velocidad constante. ¿Cuál es su fuerza neta?
Respuesta: Cero.
Velocidad constante significa aceleración cero, así que la suma vectorial de las fuerzas externas es cero.
Lección 2 de 3
Momento, impulso y fronteras del sistema
¿Qué se mantiene sin cambio cuando unos objetos intercambian fuerzas entre sí?
El momento p = mv se conserva en un sistema con impulso externo despreciable. Las fuerzas internas cambian el momento de cada objeto, pero se cancelan en el total.
El impulso FΔt es igual al cambio de momento. Alargar el tiempo de un choque puede reducir la fuerza máxima sin cambiar el cambio de momento necesario.
Ejemplo resuelto
Un carrito de 2 kg a 3 m/s se queda pegado a un carrito de 1 kg en reposo.
- 1. El momento inicial es 2×3 = 6 kg·m/s.
- 2. La masa combinada es 3 kg.
- 3. Plantea 3v = 6.
Se mueven juntos a 2 m/s; la energía cinética no se conserva en el choque en el que quedan pegados.
Pruébalo
Auditoría del sistema en un choque
Materiales: Dos carritos de juguete o dos monedas y la cámara del teléfono.
- 1. Elige el sistema formado por los dos objetos.
- 2. Registra las velocidades antes y después.
- 3. Estima el momento total.
- 4. Enumera la fricción y los demás impulsos externos.
Fíjate: El momento cuadra mejor cuando la frontera del sistema incluye los dos objetos que interactúan y los impulsos externos son pequeños.
Comprueba lo que entendiste: ¿Por qué un airbag reduce la fuerza de la lesión?
Respuesta: Reparte el mismo cambio de momento a lo largo de más tiempo.
Para un impulso fijo, aumentar Δt baja la fuerza media.
Lección 3 de 3
Conservación de la energía y potencia
¿Con qué rapidez se transfiere la energía, y cuadra el libro de cuentas completo?
El trabajo transfiere energía cuando una fuerza actúa a lo largo de un desplazamiento. La energía cinética y la potencial siguen el movimiento y la configuración; la energía térmica registra el movimiento microscópico disperso.
La potencia es la energía transferida por unidad de tiempo. Un aparato de mucha potencia puede entregar energía deprisa sin crear más energía total.
Ejemplo resuelto
Una carga de 5 kg sube 2 m en 4 s. Ignora las pérdidas y usa g ≈ 9.8 m/s².
- 1. La ganancia de energía gravitatoria es mgh.
- 2. Calcula 5×9.8×2 = 98 J.
- 3. La potencia es 98/4.
La potencia mecánica media es 24.5 W.
Pruébalo
Medición de la potencia humana
Materiales: Unas escaleras, un cronómetro y una estimación de la masa.
- 1. Mide la altura vertical de las escaleras.
- 2. Cronometra una subida segura.
- 3. Calcula mgh.
- 4. Divide entre el tiempo y compara varias repeticiones.
Fíjate: Subir más rápido aumenta la potencia, mientras que el cambio de energía gravitatoria para la misma persona y la misma altura se mantiene casi fijo.
Comprueba lo que entendiste: ¿Puede un aparato dar durante poco tiempo más potencia de la que su fuente le entrega en ese instante?
Respuesta: Sí, si la energía almacenada está disminuyendo.
La potencia de pico puede venir de una batería, un condensador, un volante de inercia u otro almacén; el libro de cuentas completo de la energía debe incluir ese cambio.
De la fórmula al significado
Lee la ecuación en lenguaje corriente.
F_net = ma
La fuerza externa neta es igual a la masa por la aceleración.
Unidades: N = kg·m/s²
p = mv; J = Δp
El momento es la masa por la velocidad; el impulso cambia el momento.
Unidades: kg·m/s
K = ½mv²; P = ΔE/Δt
La energía cinética crece con el cuadrado de la rapidez; la potencia mide el ritmo de transferencia.
Unidades: J; W
Práctica independiente
Serie de problemas
Resuelve cada problema antes de abrir la pista y la solución.
1. Un coche de 1200 kg acelera a 2.5 m/s². ¿Qué fuerza neta actúa?
Ver la pista
Usa F = ma.
Ver la solución
3000 N en la dirección de la aceleración.
2. Una pelota de 0.15 kg pasa de +20 a −10 m/s. Halla Δp.
Ver la pista
Resta la velocidad final menos la inicial antes de multiplicar por la masa.
Ver la solución
Δp = 0.15(−10−20) = −4.5 kg·m/s.
3. Una lámpara de 60 W funciona durante 5 minutos. ¿Cuánta energía se transfiere?
Ver la pista
Convierte los minutos en segundos y usa E = Pt.
Ver la solución
60×300 = 18,000 J.
Sigue hacia la evidencia
Próxima lectura, con sus fuentes
Capítulo 1: La escalera de la evidencia
Usa los residuos de conservación como una prueba disciplinada de las afirmaciones sobre dispositivos.
Clase 9: El programa de inercia del campo de punto cero
Compara la mecánica establecida con una propuesta discutida sobre la inercia microscópica.
Metrología de propulsión de precisión
Medición de fuerzas bajo vibración, deriva térmica y acoplamiento electromagnético.