viernes, 27 de mayo de 2022

9. Conservación de la energía y de la cantidad de movimiento. PIAM - U.C.R. (Clase del 01 de junio 2022)

Conservación de la energía mecánica

  • La energía mecánica (E.M.) es la suma de la energía cinética y la energía gravitatoria que se le asocia a un cuerpo, porque este tiene velocidad y está a una altura sobre el suelo, esto es:

Los científicos desde hace mucho tiempo aceptan como una ley de la naturaleza que la energía total de un sistema aislado se conserva.

Esto es, que si se lleva una estricta contabilidad de todos los tipos de energía que tiene los constituyentes del cuerpo, sólo observaremos transformaciones de un tipo de energía en otro, pero la suma de energías permanece constante.

Sin embargo, a la luz de los resultados de la relatividad, debemos tomar en cuenta las transformaciones de masa en energía, ya que, masa, energía campo gravitatorio y espacio tiempo, son conceptos fuertemente entrelazados, a pesar de que aquí, por simplicidad los mantenemos algo diferenciados, pero es solo para que la explicación no alcance niveles de complejidad.


En los cursos elementales de física se resuelven problemas usando conservación de la energía mecánica, lo cual requiere en primera instancia que el trabajo hecho por las fuerzas de rozamiento sea despreciable, comparado con la energía cinética y gravitacional del problema.


El péndulo simple se puede analizar por medio de la conservación de la energía mecánica. También algunos problemas sobre colisiones, la caída libre de los cuerpos, y situaciones de un cuerpo que desliza, subiendo y bajando por toboganes, planos inclinados y superficies horizontales a lo largo de las cuales no se toma en cuenta el efecto disipador de energía causado por fuerzas de rozamiento.
También se conserva la energía mecánica en un sistema masa-resorte, tomando en cuenta la energía potencial elástica.

Cantidad de movimiento y su conservación


Se han escrito los símbolos p y v en negrita, para enfatizar que la cantidad de movimiento y la velocidad, son cantidades que tienen magnitud y dirección (¡vectores!).

La cantidad de movimiento tiene la misma dirección que la velocidad del cuerpo, ya que la masa m es una cantidad positiva (un escalar).
Las unidades de cantidad de movimiento son kg m/s.

La segunda ley de Newton puede expresarse en términos de la cantidad de movimiento de la siguiente manera:

  • La fuerza neta aplicada a un cuerpo es igual al cambio en la cantidad de movimiento del cuerpo, por unidad de tiempo.
  • F = ΔpΔ t.
    Si quiere usar un poquito de matemática, pruebe que la relación anterior es equivalente a 
  • F = m a.

El uso más generalizado del concepto de cantidad de movimiento consiste en la aplicación de la “ley de conservación de la cantidad de movimiento”.

Esto es un comportamiento universal de la naturaleza, que expresa lo siguiente:

  • “La cantidad de movimiento total de un sistema de partículas, justo antes y después de una interacción se mantiene constante, siempre que sobre el sistema no actúen fuerzas externas (sistema aislado).”

Entonces, si llevamos una estricta contabilidad de la suma de todas las cantidades de movimiento (¡vectores!), antes de la interacción, el resultado debe ser el mismo si se suman las cantidades de movimiento después de la interacción.

La conservación de la cantidad de movimiento se aplica con buena exactitud en el caso de colisiones en que el sistema no sea aislado, cuando las fuerzas externas son despreciables. Tal es el caso de colisiones de bolas de billar.


Resolvamos el problema ilustrado en la figura, que nos establece la situación inicial (antes de la colisión). Vamos a suponer que en la situación final (después de la colisión), la bola de 2 kg rebota (hacia la izquierda), con una velocidad de 0,5 m/s. ¿Cómo se mueve la bola de 5 kg, luego de la colisión?

La cantidad de movimiento inicial es:
(2 kg)(5 m/s) + (5 kg)(0 m/s) = +10 kg m/s.
la cantidad de movimiento final es:
(2 kg)(-0,5 m/s) + (5 kg)(v m/s).
Entonces por la ley de conservación de la cantidad de movimiento:
+10 kg m/s == -1 kg m/s + 5 v kg m/s.
Con un poquito de matemática resulta que:v = 11 kg m/s ÷ 5 kg = 2,2 m/s (¡positivo!).
Entonces la bola de 5 kg se moverá hacia la derecha a 2,2 m/s.


Le dejo a usted la solución del problema siguiente: m
1= 1 kg,  m2 = 2 kg. v1= 3 m/s hacia la izquierda ;  v2 =  4 m/s hacia la derecha, después de la colisión.

Si antes de la colisión m2 tenía una velocidad de u2 = 2 m/s hacia la izquierda, ¿Cuál era la velocidad de m1 antes de la colisión?

En el caso de colisiones de partículas subatómicas en aceleradores de partículas como en el CERN y en Fermilab, la conservación de la cantidad de movimiento es un recurso de mucha utilidad en el análisis.


El “neutrino” fue postulado en 1930 por Wolfgang Pauli, para que se cumpliera la conservación de la cantidad de movimiento en la reacción de decaimiento radiactivo del Tritio.

Con las restricciones del caso y sin esperar mucha exactitud, la ley de conservación de la cantidad de movimiento se puede aplicar en las situaciones siguientes.





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miércoles, 25 de mayo de 2022

¿Posible estallido de meteoros el 30/31 de mayo? (2022 IMO Meteor Shower Calendar; by Jürgen Rendtel, pp.9-10)

Traducido por Microsoft Word y jav. 


¡¡Es solo un pronóstico, basado en conocimiento científico y tecnológico;
mucho menos probable de que la nubosidad nos de una oportunidad, pero...!!

En la noche del 30/31 de mayo, la Tierra cruza la órbita del cometa 73P/Schwassmann-Wachmann, también conocido como SW3. El cometa en sí no estará cerca de la vecindad de la Tierra, pero los escombros de un evento de fragmentación masiva en 1995 pueden estar allí para iluminar nuestros cielos con meteoros.

SW3 llegará a este punto en agosto, pero los observadores de meteoros tienen la esperanza de que el evento de fragmentación en 1995 envió escombros antes del cometa que será encontrado por la Tierra en mayo. La mayoría de los escombros terminan detrás del cometa formando la cola que vemos en los cometas brillantes.


Pero si la velocidad de los escombros que salen del cometa fuera lo suficientemente alta, parte de este material también podría haberse movido hacia adelante del cometa. Incluso si esto sucede, también debemos esperar que los escombros sean lo suficientemente grandes como para ser visibles desde el suelo.
La mayoría de los meteoros que vemos son producidos por pequeños trozos de roca, hielo o metal, no más grandes que un grano de arena. Es la tremenda velocidad a la que golpean esa atmósfera lo que hace que sean visibles mientras aún están en lo alto de la atmósfera. Desafortunadamente, los escombros de SW3 se moverán en la misma dirección general que la Tierra, por lo tanto, estos meteoros estarán hacia el extremo inferior de la escala de velocidad. Lo que esto significa es que los meteoros que entran en la atmósfera desde SW3 deben ser más grandes de lo normal para ser vistos desde el suelo. 

La estrella Arcturus en Bootes (Boyero).
Acimut: 293
° (Oeste-Noroeste); Altitud 63°.
Suficiente para que el 30 de mayo a las 23:00 (Costa Rica),
los posibles meteoros del SW3 "nos bañen".
(mapa hecho con Stellarium)

Entonces, ¿qué necesita saber para tratar de ver este posible estallido?
En primer lugar, "se predice" que la Tierra se encontrará con los escombros del evento de 1995 entre las

  • 4:45-5:17 hora universal del martes 31 de mayo.
  • Esto corresponde a 22:45-23:17 el lunes 30 de mayo.
  • Toda América Central y del Sur puede ver este evento, pero la radiante estará baja en el cielo, excepto en la parte noroeste de América del Sur
  • La radiante esperada para los meteoros del SW3 este año se encuentra … 
    En el oeste de Bootes, aproximadamente a 8 grados al noroeste de la brillante estrella naranja conocida como Arcturus (alfa Bootis).

La Tierra también cruzará dos campos de escombros más, producidos por los retornos de este cometa en 1892 y 1897.

  • Se predice que estos ocurrirán a las 16 UT el 30 de mayo (favoreciendo al Pacífico occidental, Asia y Oceanía).
  • Y a las 10 UT el 31 (favoreciendo al oeste de América del Norte y el Pacífico Oriental). 

Lea el articulo original (completo): 2022 IMO Meteor Shower Calendar; by Jürgen Rendtel, pp.9-10

8. Trabajo, energía cinética y energía potencial. PIAM- U.C.R. (clase del 25/05/2022)

Trabajo
En el sentido más amplio y a veces impreciso del término, hacer un trabajo podría significar una inversión o un gasto de energía aplicada a alguna actividad cotidiana.
(http://www.nacion.com/ocio/artes/Energia-vibraciones_0_1495050491.html).

Durante nuestra vida, los seres humanos debemos realizar trabajos para sobrevivir a las situaciones que nos presenta la naturaleza.
Nos referiremos ahora al trabajo, pero al estilo de cómo lo aplican físicos, ingenieros y científicos en general.
Cuando una persona o una máquina aplica una fuerza sobre un objeto pesado, sin moverlo, se realiza un gasto de energía.
Si aplica la fuerza, pero no se logra un desplazamiento. En esta situación no se ve un efecto o un cambio apreciable,
el trabajo fue nulo.
Si usted baja por una pendiente sosteniendo una carretilla, ejerciendo fuerza hacia arriba de la pendiente, para evitar que la carretilla no acelere hacia abajo y no alcance una velocidad inconveniente, resulta que aquí sí podemos señalar un efecto deseado, un trabajo perfectamente válido y útil: -evitar un accidente si la carretilla hubiese bajado sin control-.

¿Cómo distinguiríamos este trabajo del realizado al empujar la carretilla hacia arriba para llevarla de nuevo al punto de origen?

De hecho, en condiciones ideales (despreciando el rozamiento) la magnitud de ambos trabajos es la misma, pero en el primer caso resulta que la energía de la carretilla disminuyó, 
y en el segundo aumentó.

  • El trabajo puede ser positivo, nulo o negativo.
Esto es así porque se interpreta como un cambio de energía, y todos sabemos que podemos agregar (sumar), quitar (
restar) o no hacer nada cuando se cambia algo.

¿Qué cosa diferente ocurrió al bajar o al subir para que el trabajo tuviese signo opuesto?Evidentemente, la dirección relativa entre la fuerza y la distancia que se desplazó el cuerpo.
Cuando se descendió la fuerza, tenía la dirección hacia arriba, pero la carretilla se desplazó hacia abajo; por esto, el trabajo resultó negativo.
En cambio, cuando se ascendió, la fuerza seguía hacia arriba, lo mismo que el desplazamiento, y ambos tenían la misma dirección (digamos que paralela); así, el trabajo resultó positivo.

El concepto físico de trabajo involucra una “fuerza” y un “desplazamiento” (una distancia recorrida en línea recta) ligados por una operación matemática simple.

  • Por ahora solo diremos que el trabajo es positivo si la fuerza va en la misma dirección del desplazamiento y que el trabajo será negativo si van en sentido opuesto.
  • El trabajo (W) es el resultado del producto de la componente de la fuerza en la dirección del movimiento y la magnitud del desplazamiento”.
Por esto, si quiere obtener el trabajo máximo correspondiente a su “empuje”, ponga toda su intención paralela al cambio que quiere lograr.
  • Trabajo = Fuerza x desplazamiento en la dirección de la fuerza
  • W = F x d.

La unidad de medición de trabajo y de energía es el joule” (J), establecida en honor al físico inglés James Prescott Joule, quien realizó importantes estudios sobre energía y electricidad.

Energía cinética
Normalmente pensamos que la energía es -algo- que tiene (o necesita) un cuerpo para realizar cambios, para hacer algún tipo de trabajo.
Si nuestro cuerpo no tiene suficiente energía, no puede ejercer las fuerzas requeridas para que nuestros músculos nos permitan caminar y en casos extremos aún para realizar funciones vitales como mantener la circulación de la sangre, o respirar.

Los motores de las máquinas si no tienen una fuente de energía (algún tipo de combustible), no pueden funcionar, pero si la tienen pueden hacer diferentes tipos de trabajo como preparar la tierra para sembrar, imprimir este libro, o calentarnos cuando hace mucho frío.

La energía más simple de conceptualizar es la energía cinética, la cual está ligada al movimiento del cuerpo (a su rapidez) y a la cantidad de materia que se mueve (la masa).
Energías más complejas son por ejemplos las que almacenan (y usan) los seres vivos en sus estructuras moleculares, atómicas y nucleares.

  • “La energía cinética, o energía de movimiento (E.C.) de un cuerpo de masa (m) y rapidez (v) se define como el producto de la masa y la segunda potencia de la velocidad, todo dividido por 2”.
La energía cinética y el trabajo están muy relacionados. Si una fuerza neta realiza un trabajo positivo sobre un cuerpo, vemos entonces que lo acelera, esto es, aumenta su velocidad y entonces le produce un aumento en su energía cinética.
Por el contrario, un cuerpo que se mueve con cierta velocidad, como el agua que hace girar las turbinas en una planta hidroeléctrica, sale con menor velocidad que la que entró. Se puede probar que el cambio de energía cinética (una disminución en este caso) es equivalente al trabajo realizado para mover la turbina.

Veamos el siguiente análisis simple:

  • Trabajo = fuerza x distancia = [masa x aceleración] x distancia =
  • masa x [(velocidad final – velocidad inicial) /tiempo] [velocidad x tiempo]=
  • masa [velocidad final2 – velocidad inicial2].
  • Solo queda aplicar el formalismo matemático necesario para probar que:
  • “Trabajo neto = cambio de Energía cinética”.

Evidentemente las unidades de energía cinética son las mismas que las de trabajo, puesto que: [kg x (m/s)2] = [kg m/s2][m]= [newton][m] = joule.

Que la energía cinética de un cuerpo dependa de la masa es muy importante. Por ejemplo, en una colisión de un automóvil con el tren, aunque ambos vehículos viajen a la misma velocidad, si el automóvil tiene una masa de 1000 kg, y solo la locomotora 10 000 kg, es fácil concluir cuál de los dos llevará la peor parte, evidentemente el cuerpo de mayor masa.

La dependencia con la segunda potencia de la velocidad en la energía cinética  es más significativa, veámoslo con este ejemplo:
Una cierta masa de aire que se mueve a 60 km/hora, lleva consigo una cantidad de energía cinética, pero la misma masa de aire en el caso de un huracán con vientos del doble de la velocidad (unos 120 km/hora), no tiene el doble de la energía cinética, sino cuatro veces, debido a que (2v)2 = 4 v2.

En colisiones microscópicas entre partículas elementales, se puede considerar que se conserva la energía cinética, ¡no las velocidades!
La suma de la energía cinética de todas las partículas que interaccionan, justamente antes y justamente después de la colisión, es la misma.
Los choques de bolas de billar sobre una mesa en perfectas condiciones también pueden considerarse como colisiones elásticas, en la cuales se conserva la energía cinética, juntamente antes y después de los choques. Desde luego, después de la colisión, las bolas ruedan y la energía cinética se consume para vencer el rozamiento.
El tipo de colisión más frecuente es la inelástica, en la cual la energía cinética final es menor que la energía cinética inicial.

Energía (potencial) gravitatoria
Posiblemente su maestro o profesor en la escuela, colegio, y aún en la universidad llame a este concepto simplemente energía potencial, y si tuvo suerte energía potencial gravitatoria. La palabra potencial no agrega nada para clarificar el concepto, así que le sugiero la deseche.

La energía gravitatoria cerca de la superficie de la Tierra (E.G.) es la que tiene (en conjunto) un cuerpo y el campo gravitatorio terrestre.
¡No es solo una propiedad aislada del cuerpo, -sin el campo gravitatorio no hay nada-!.

Cuando el cuerpo de masa (m) está a nivel del suelo, se le asigna una energía gravitatoria nula; E.G. = 0.
Para subir el cuerpo hasta una altura (h) habrá que ejercer una fuerza hacia arriba, al menos igual a su peso (m g).
Esta fuerza hacia arriba realiza un trabajo positivo igual a: m g h  (fuerza x distancia).
Obviamente en esta situación límite el cuerpo se mueve con velocidad constante y entonces no ha ocurrido un cambio de energía cinética.
¿Dónde se acumula el trabajo realizado?

  • Decimos, por definición que el trabajo realizado, W= (m g) h se acumula como la energía gravitatoria del cuerpo. Por tal motivo: “La energía gravitatoria es igual al producto de la masa, la aceleración de la gravedad y la altura del cuerpo sobre el nivel de referencia”.
  • E.G.= m g h.

Usted puede probar fácilmente multiplicando (kilogramo) por (metro/segundo al cuadrado) por (metro), que la unidad de medición para la energía gravitatoria es el joule (J).

Cuando un cuerpo se ha colocado a cierta altura sobre el nivel de referencia (el suelo) entonces junto con el campo gravitatorio posee una energía acumulada (¡potencialmente disponible!), la cual se puede usar si el cuerpo se deja caer.

Al hacerlo el cuerpo va ganando energía cinética, a medida que disminuye su energía gravitacional. Cuando llega al suelo, casi toda la energía inicial se ha transformado en energía cinética, que puede utilizarse para hacer algún trabajo, por ejemplo, compactar el suelo, quebrar una roca, clavar un pilote, etc.A picture containing map

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Potencia
Una cierta cantidad de trabajo puede realizarse en poco o mucho tiempo, lo mismo que una acumulación o un gasto de energía.

  • Para medir la rapidez con que se utiliza energía, o se hace trabajo, empleamos el concepto de potencia (P) que se define como el trabajo por unidad de tiempo:
  • P = W/t.

Si un aparato mecánico o un organismo (biológico), utiliza un joule de energía cada segundo, se dice que está funcionando a una potencia 1 watt (1 W).
Esta unidad se estableció en honor al ingeniero e inventor escocés James Watt.

El watt es una unidad de pequeña magnitud con respecto de la potencia con las que funcionan algunas máquinas.
Para esas situaciones se prefiere el kilowatt (kW) y el mega watt (MW), que son potencias de mil y un millón de watt, respectivamente.

  • Si usted conoce la potencia con que funciona algún dispositivo y si ésta es constante, el trabajo realizado, o la energía empleada se calcula multiplicando la potencia (en W), por el tiempo (en s). Obviamente el resultado es una cierta cantidad de joule (J).

Especialmente en situaciones del ámbito de la ingeniería, como en el caso de plantas de generación eléctrica, por costumbre la potencia se especifica en kilowatt y el tiempo en horas. Si se hace el cálculo anterior con esas unidades, resulta la energía en “kilowatt hora”.

  • 1 kilowatt hora (1 kWh) es la energía (o el trabajo realizado) por un sistema que funciona a la potencia estable de 1 kW, durante 1 hora.

Obviamente 1 kWh = 1000 joule/segundo × 3600 segundos = ¡3,6 millones de joule ¡
Se puede probar, usando equivalencias simples que:

  • Potencia = trabajo/tiempo =
  • (fuerza × distancia) /tiempo =
  • Fuerza × velocidad.

Este resultado lo podemos usar para explicar, por ejemplo, que un carro que funciona a una potencia fija, digamos 150 kilowatt, si viaja con una marcha lenta (baja velocidad) puede ejercer una gran fuerza de arrastre, por ejemplo, para transportar carga, mientras que si lo intenta en una marcha alta (gran velocidad), su fuerza de arrastre es menor. 

domingo, 22 de mayo de 2022

Conjunción geocéntrica en ascensión recta entre Marte y Júpiter (29 de mayo de 2022, madrugada).

Traducción Microsoft-Word y jav.

"Aquí abajo seguimos luchando con la nubosidad;
arriba el cielo sigue su curso imperturbable."
Condiciones para Costa Rica, al final. 
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Configuración de la conjunción entre Marte y Júpiter en la madrugada del 29 de mayo de 2022 alrededor de las 5:00 am en hora legal francesa. Se observa que Venus también será claramente visible al este de los dos planetas en conjunción.  Créditos Stellarium

El mes de mayo de 2022 ofrece un interesante acercamiento visual entre el cuarto y quinto planetas de nuestro sistema solar, a saber, Marte y Júpiter. Este acercamiento tendrá lugar el domingo 29 de mayo de 2022 por la mañana, a la luz del amanecer.

¿A quién veremos?
A todo un señor, todo un honor. Si el quinto planeta de nuestro sistema solar lleva el nombre del dios de los dioses, Júpiter en la mitología romana, no es sin razón.
En términos absolutos, no es el más brillante de los planetas, ya que es
Venus el que ocupa este rango. Venus es más brillante que Júpiter, a veces por la mañana, a veces por la noche, pero nunca toda la noche, su posición entre la Tierra y el Sol no le permite brillar en medio de la noche.
Dado que la órbita de Júpiter se encuentra más allá de la órbita terrestre, puede, en las mejores condiciones, durante la oposición, ser visible toda la noche. Con una magnitud máxima de alrededor m= - 2,5, brillará más que cualquier estrella (la estrella más brillante, Sirio, brilla con magnitud m= -1,45).

Situado a unos 778 millones de kilómetros del Sol (la Tierra está a 150 millones de kilómetros), Júpiter es el más grande de los ocho planetas de nuestro sistema solar y también el primero de los cuatro planetas gaseosos en orden de distancia. Su composición química es muy cercana a la del Sol, algo bastante lógico, ya que ambos objetos se formaron a partir de la misma nebulosa. Resulta que Júpiter, como Saturno, son embriones estelares fallidos. Si este planeta Júpiter hubiera sido más masivo, se habría convertido en una estrella. Sin embargo, está lejos del conteo, ya que los cálculos han demostrado que tendría que ser al menos 13 veces más masivo de lo que es actualmente para que su corazón se iluminara (fusión nuclear de deuterio), que lo transformaría en una simple pequeña enana marrón. Esto no impide que Júpiter sea una astro imponente. Si es apenas 10 veces más pequeño que el Sol en diámetro, también es 11 veces más grande que la Tierra. Su masa le permite tener una imponente procesión de satélites, ya que actualmente cuenta con 79 conocidos, una lista no exhaustiva, ya que el análisis de imágenes tomadas por sondas espaciales trae regularmente nuevos potenciales candidatos. Los cuatro más grandes, Io, Europa, Ganímedes y Calisto, conocidos desde su descubrimiento por Galileo en 1610, son visibles con binoculares.

Júpiter fotografiado por la sonda Juno de la NASA en febrero de 2019. Créditos NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/K.M. Gill

¿Qué veremos?
Cabe señalar que la brecha mínima entre los dos planetas ocurrirá al mediodía, mucho después del amanecer, y que, por lo tanto, no será visible a simple vista.

Sin embargo, si estará cerca de los 35′ en el momento de la separación mínima. Esta separación será de 36′ unas horas antes, cuando podamos admirarlos en el resplandor del amanecer, por tanto, difícilmente apreciable por un ojo humano.
Para localizar las dimensiones de esta elongación, recordemos que el diámetro lunar es de 30′ (¡de arco!). Esto significa que la brecha entre los dos planetas será apenas mayor que el diámetro de nuestro satélite visto en el cielo.

¿Cómo observar este fenómeno?
Como el mes pasado, el ojo desnudo será sin duda un excelente aliado para saborear la estética de un fenómeno resaltado por un horizonte suavemente coloreado por la primera luz del amanecer. Unos binoculares también serán bienvenidos. Mostrarán que Júpiter es un pequeño confeti blanco (37" de diámetro ecuatorial), rodeado por Ganímedes y Europa a su izquierda,  Io y Calisto a su derecha. Un telescopio permitirá distinguir dos bandas oscuras paralelas en el ecuador de Júpiter. En Marte, en cambio, solo veremos una diminuta bola naranja, su diámetro aparente de tan solo 6,4" no permite ver detalles en su disco.

Sin embargo, nos beneficiaremos de un bello fenómeno que nos permite la casualidad de una feliz alineación celeste, compararlos visualmente con un acercamiento que podría hacer creer a un neófito que efectivamente están muy cerca en distancia, lo que las efemérides contradicen, ya que Marte estará esa mañana a 1,46 ua de la Tierra, mientras que Júpiter estará separado de 5,29 en nuestro planeta.

29 de mayo 2022; 03:00. - Costa Rica.
Marte: A= 95 grados ("Este"); h= 23 grados; m= 0,7
Júpiter: A = 94 grados ("Este"); h= 24 grados; m= -2,2
Y como testigos, Saturno, Vesta, Neptuno y Venus.
(Cartes du ciel).

miércoles, 11 de mayo de 2022

7. Torque, palancas y poleas. PIAM - U.C.R. (Clase del 18/05/2022)

Torque o momento de fuerza

Seguramente usted ha tenido la experiencia de desplazar una caja sobre el piso, aplicando cierta fuerza. Algunas veces la caja se traslada en línea recta (paralela a sí misma), pero en la mayoría de los casos, rota un poco y hasta podría dar vuelta y volcarse.

¿De qué depende?   

  • Depende de que las direcciones de las fuerzas aplicadas estén dirigidas, o no, hacia un punto particular del cuerpo; su centro de masa.
  • Si la fuerza neta apunta hacia el centro de masa, el cuerpo solo se traslada, pero si apunta en otra dirección, el cuerpo se traslada y rota.
  • El efecto de una fuerza, que determina la capacidad de ésta para producir la rotación de un cuerpo respecto a un cierto eje, se denomina torque, o momento de fuerza.

Un eje natural de rotación para un cuerpo puede ser, por ejemplo, la recta que contiene las bisagras de una puerta, la clavija de un trompo, el punto de apoyo de un subibaja, la recta imaginaria a lo largo del centro de tornillos o tuercas, etc.
La lógica y la experiencia recomiendan que, para producir un buen efecto de rotación (un buen torque), la fuerza debe aplicarse:

  • Lo más alejada posible del eje de rotación.
  • No dirigirse hacia este.

Por eso las perillas de las puertas están alejadas de las bisagras y cuando queremos aflojar, o socar las tuercas de una llanta de un carro, usamos una extensión para agrandar la distancia al eje, se dice a veces que para tener “un brazo de palanca más largo”.

  • El torque que produce una fuerza (F), respecto a un cierto eje, se define como una operación matemática simple entre la distancia al eje (d) y la magnitud de la fuerza (F), esto es:
  • Torque = distancia al eje de rotación x Fuerza.
Quiero advertirle que esta “distancia”, debe interpretarse de tal manera que sea perpendicular (a 90°) entre la fuerza y la recta que va eje de rotación”. Porque en el caso extremo y desfavorable, si la dirección de la fuerza es hacia el eje de rotación, ¡el torque será cero!
Por la razón anterior es que usamos “llaves”, como las inglesas o francesas y aún alicates, para dar vuelta a tornillos y tuercas.

Las conocidas “llaves Allen” están diseñadas con su ángulo de 90° y su brazo de palanca, para favorecer el torque que aplicamos.
Trate usted de explicar el torque que aplican sus pies al eje de una bicicleta por medio de los pedales y como se traslada este torque a los diferentes engranajes.

Dependiendo de la posición relativa entre la dirección de la fuerza y el eje de rotación, el cuerpo puede girar “en el sentido opuesto de las agujas del reloj, o en el mismo sentido”.
Por convenio un torque que produce rotación “contra reloj” se considera positivo (+) y si es “a favor de reloj”, será negativo (-).
Este útil convenio matemático se utiliza para sumar los torques producidos, cuando hay diversas fuerzas que actúan sobre un cuerpo.
Evidentemente la condición de equilibrio de rotación de un cuerpo, - para que este no rote-
requiere que:
  • La suma de todos lo torques de las diferentes fuerzas sea cero.
Si queremos que cualquier cuerpo o estructura esté en equilibrio de traslación y también en equilibrio de rotación se debe verificar que se cumplan estas dos condiciones:
  • Suma de fuerzas externas igual a cero.
  • Suma de torques externos igual a cero.

Segunda ley de Newton, para el movimiento de rotación.

Considere la rueda dentada (engranaje)  de la izquierda (b) que está conducida por la rueda de la derecha (a), por medio de la cadena de la bicicleta.
Ambos engranajes están ejecutando un movimiento de rotación – simple-.
No se trasladan porque las dos ruedas están sujetas a su respectivo eje de rotación fijo.
Quizás la situación queda más clara, por medio de la segunda figura.
En el caso del movimiento de rotación, los conceptos de
fuerza, velocidad y aceleración -lineales-, se modifican para que las ecuaciones queden más simples y  sean más útiles y prácticas.
El extremo de los dientes de cada engranajes se mueve a cada instante con una velocidad tangencial, que depende de su distancia al eje.
Pero -toda la rueda- gira con una velocidad de rotación que llamamos velocidad angular.
Si la rueda aumenta o disminuye su rotación el extremo de cada diente se moverá con una aceleración tangencial que también depende de su distancia al eje.
Pero -toda la rueda- tendrá una aceleración angular (α) que la caracteriza.
La fuerza que se aplican entre sí los dientes -en contacto- es importante, pero lo es más el torque (fuerza por distancia al eje de rotación), que representamos por la letra griega tau (τ).
La masa, no puede considerar como la una sola partícula localizada en el centro de masa de la rueda (que sería el eje).
Se debe tomar en cuenta su distribución que podría no ser uniforme, respecto al eje de rotación.
Esta cantidad se llama
 momento de inercia (I).

Si en algún momento usted toma un curso de física y estudia el movimiento de rotación, seguramente empleara esta versión de la segunda ley de Newton:

Palancas
Una palanca es una máquina simple que consiste en una viga o varilla rígida pivotada en una bisagra fija, o punto de apoyo

Es un cuerpo rígido capaz de girar sobre un punto sobre sí mismo.
Sobre la base de las ubicaciones de punto de apoyo, carga y esfuerzo, la palanca se divide en tres tipos. Además, el apalancamiento es una ventaja mecánica obtenida en un sistema.
Es una de las seis máquinas simples identificadas por los científicos del Renacimiento.
Una palanca amplifica una fuerza de entrada para proporcionar una mayor fuerza de salida, que se dice que proporciona apalancamiento.
La relación entre la fuerza de salida y la fuerza de entrada es la ventaja mecánica de la palanca. Como tal, la palanca es un dispositivo de ventaja mecánica, que intercambia la fuerza contra el movimiento.La fórmula para la ventaja mecánica de una palanca es  CARGA/ESFUERZO.
https://en.wikipedia.org/wiki/Lever

Poleas
Una polea es una rueda en un eje que está diseñada para soportar el movimiento y el cambio de dirección de un cable o correa tensa, o la transferencia de potencia entre el eje y el cable o correa.

En el caso de una polea sostenida por un marco o carcasa que no transfiere potencia a un eje, sino que se utiliza para guiar el cable o ejercer una fuerza, la carcasa de soporte se denomina bloque, y la polea puede llamarse gavilla.
Una polea puede tener una ranura o ranuras entre las bridas alrededor de su circunferencia para ubicar el cable o la correa. El elemento de accionamiento de un sistema de poleas puede ser una cuerda, cable, correa o cadena.
La evidencia más temprana de poleas se remonta al Antiguo Egipto en la Dinastía XII (1991-1802 a.e.c) y Mesopotamia a principios del 2do milenio a.e.c.  En  el Egipto romano, Heron de Alejandría (c. 10-70 EC) identificó la polea como una de las seis máquinas simples utilizadas para levantar pesas.  Las poleas se ensamblan para formar un bloque y un aparejo con el fin de proporcionar una ventaja mecánica para aplicar grandes fuerzas.


Las poleas también se ensamblan como parte de transmisiones por correa y  cadena  para transmitir energía de un eje giratorio a otro.

https://en.wikipedia.org/wiki/Pulley