[A006] Mecánica Clásica

La Mecánica Clásica o newtoniana es la parte de la Física que estudia la relación entre el movimiento de los cuerpos y las fuerzas que actúan sobre ellos. Esta parte de la física desarrollada por Newton tuvo más de 2 siglos de vigencia, hasta que Einstein formuló la teoría de la relatividad en 1905, y a posteriori otros científicos desarrollaron la Física Cuántica.
A partir de estos hechos muchos dijeron que se produjo un cambio total de paradigmas y que había que descartar las teorías de Newton. Si bien Einstein resolvió la inconsistencia que tenía la Mecánica Clásica, también dejó otras preguntas sin resolver

Por eso parece más adecuado decir que gracias a los aportes de la Relatividad y de la Física Cuántica no se niega la validez de la Mecánica Clásica, sino que se deja circunscripta a un dominio limitado (donde la velocidad de los objetos es muy baja comparada con la velocidad de la luz, que es de aproximadamente 300.000 km/seg). Tal validez tiene que sigue siendo la base de toda la ingeniería mundial actual (exceptuando las relacionadas con los viajes espaciales).

El aporte de Newton fue realmente significativo, y el desarrollo y tratamiento matemático tan preciso, que a pesar de haberlos publicado en 1687, hoy en día se siguen utilizando en los actuales libros de Mecánica Clásica. Aunque la Mecánica se apoye fuertemente en la Matemática, no es una ciencia abstracta, sino aplicada. Además también guarda relación con ramas propias de la ingeniería como Resistencia de Materiales, Cálculo de Estructuras, etc.

Los conceptos básicos empleados en la Mecánica newtoniana son: posición, tiempo, masa y fuerza, siendo esta última de suma importancia. Como cuerpo de estudio se subdivide en distintas ramas: estática (se centra en los objetos en equilibrio), cinemática (movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo provocan, también llamada geometría del movimiento) y dinámica (justamente el estudio de las causas o el origen de los movimientos).

Podríamos decir que la Mecánica Clásica reduce su estudio al dominio de la experiencia diaria, o sea a los hechos que observamos con los sentidos. Además es de fácil comprensión y puede expresarse matemáticamente con cierta facilidad, lo que permite su aplicación en una gran variedad de hechos, y en nuestro caso concreto a todas los hechos donde intervengan situaciones de higiene o seguridad laboral. También es compatible con otras ramas de la física, como la mecánica de los fluidos y la termodinámica (algunos temas veremos en Física II).

La Mecánica no solo se utiliza para describir el reposo o movimiento de los cuerpos, sino para predecir como serán, para poder evaluar sus consecuencias, y llegado el caso anticiparnos generando las medidas de prevención más adecuadas.

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Estudio de la Mecánica en las tecnicaturas

Como se trata de una ciencia aplicada la atención tiene que centrarse no solo en la formulación matemática, sino también y fuertemente en la interpretación de los resultados, analizando las variantes y distintos efectos que podrían ocurrir. En todos los casos interesará el resultado numérico, pero también, y mucho, los procedimientos o metodologías empleados.

Los temas se deben introducir gradualmente y de forma espiralada, de manera de ir cimentando de manera efectiva los conocimientos. Al mismo tiempo los alumnos deben contar con nociones sólidas de Álgebra, Geometría, Trigonometría y Representación Gráfica, para que el aprendizaje surja de manera fluida, y los temas matemáticos no sean la causa que les hagan perder de vista el objetivo al que pretenden llegar o los desanimen en el intento.

Para esta instancia de estudio, los libros de texto son el instrumento adecuado para avanzar en el conocimiento, no pasaron de moda, siguen siendo una compilación muy bien organizada y podríamos comentar muchas razones que lo justifican. Las ediciones actuales de libros de Física también vienen conectadas a la red, presentando enlaces a videos o ejercitaciones dinámicas en la web. En la Bibliografía de Física I (que encontramos en este blog) se lista una importante cantidad de textos de uso mundial, tanto en formato papel como digitales.

Para terminar también nos referiremos a la ayuda que presentan ciertas herramientas informáticas a la hora de entender lo que estamos calculando, como ejemplo podemos citar el uso de simuladores gráficos (en la materia veremos varios creados con planillas de cálculo).
Resumiendo, se aprende Mecánica leyendo libros, resolviendo ejercicios y problemas, estudiando y reflexionando (con la guía de un profesor o tutor, o de manera independiente).

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[A]  8 razones fundamentales para estudiar de los libros

Fuentes:

Covián Regales, E. (2004). El proceso de enseñanza aprendizaje de la Mecánica de Newton en las carreras técnicas. Tesis doctoral. Universidad de León. España.

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[A005] Física en Higiene y Seguridad

La Tecnicatura Superior en Higiene y Seguridad en el Trabajo habilita a los futuros egresados para colaborar con los profesionales de grado –Licenciados o Ingenieros especializados- y aplicar las recomendaciones de Higiene y Seguridad Laboral que resulten necesarias para resguardar la salud e integridad de los trabajadores en el ámbito laboral, conociendo las exigencias legales que en materia de Higiene y Seguridad corresponden aplicarse en los distintos ambientes de trabajo. El Técnico también podrá integrar grupos interdisciplinarios para la prevención de emergencias y realizar investigaciones técnicas (peritajes) sobre las causales que podrían haber motivado un accidente de trabajo o una enfermedad profesional.
Sin lugar a dudas la profesión tiene una impronta social humanista, pero también una fuerte base técnica, es por ello que el estudio de materias como Física I, Física II, Química y Medios de Representación constituye una de las patas fundamentales de la carrera. Esto sin olvidarnos que el conocimiento general de la física se ha logrado gracias al desarrollo de las Matemáticas, por lo que podríamos considerarla como el “lenguaje” de la física, ya que el conocimiento cuantitativo de los fenómenos se describe a través de ecuaciones o generando modelos de la realidad para anticiparnos a los hechos y mejorar nuestra calidad de vida.
En el plan de estudios de la tecnicatura se extraña bastante el refuerzo matemático necesario para trabajar con más soltura en las otras áreas técnicas. En nuestro caso con cada nuevo tema de física tendremos que dedicar una parte del tiempo al repaso (o estudio) de las herramientas matemáticas que se van a utilizar.

El estudio desde la mirada de la física cobra real importancia ya que para conocer y mejorar las condiciones de trabajo, y por ende el cuidado del trabajador, necesitamos analizar o simular diversas situaciones donde irán apareciendo factores como la temperatura, humedad, iluminación, ruido, y otras. Este conocimiento implicará, entre otras cosas, mediciones y cálculos.

Pero también las condiciones en las que se realiza un trabajo repercuten en la motivación y destreza de los operarios, y si no son confortables la producción mermará, aunque se hayan seleccionado los candidatos más idóneos y tengan los mejores supervisores, tanto se trate de una tarea con la computadora o en una línea de montaje de una automotriz. Por lo tanto ese ambiente tendrá una influencia directa en la productividad, tema que será de sumo interés para los empresarios, y un argumento de mejora para los higienistas (física y economía mediante).

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[V] ¿Por qué estudiar Física?

En nuestro caso la enseñanza de la física debe generar un espacio para que la cultura científica y tecnológica posibilite las actividades propias de la profesión, favoreciendo el análisis, la creatividad y la convivencia. Debemos facilitar un ambiente de trabajo confortable y sumamente seguro para el trabajador, pero dentro de un ambiente productivo, de otra manera no tendría sentido nuestra profesión.

La materia Física I tiene sus raíces en la Mecánica Clásica, donde veremos los distintos movimientos y las causas que los provocan. En este espacio los conceptos bajarán hacia situaciones cotidianas que el futuro egresado encontrará en su trabajo diario. Para ello la práctica de la materia tendrá una doble contextualización, primero desde hechos cotidianos o familiares que el alumno trae consigo (por ejemplo el conocimiento previo basado en el movimiento de los vehículos) hasta afianzar los principios físicos, tal como se hace en instituciones educativas de cualquier parte del mundo, para finalmente contextualizar con situaciones problemáticas propias de la profesión, como en nuestro caso podría ser la caída de una pieza desde determinada altura sobre el casco de un operario, la eficacia del frenado de un auto en función del estado de los neumáticos y la calzada, etc. Para otras profesiones la primera contextualización es la misma, porque es la forma de introducir la física, pero la segunda contextualización será propia de las actividades que deba realizar, por ejemplo una enfermera deberá saber a que altura colocar la botella de suero, un ingeniero deberá calcular el tamaño de la base o zapata de un puente para que el terreno no ceda, etc.

Fuentes: 
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[A004] Partícula y cuerpo rígido

Partícula

Una partícula, un punto material, una masa puntual (o antiguamente corpúsculo) no es más que una idealización para trabajar en Física, ya que todos los objetos tienen determinadas dimensiones (microscópicas como las de un electrón, o más extensas como una partícula de polvo, humo o soldadura), por ende tiene un determinado volumen y una determinada masa.

El tema se suele simplificar pensando que una partícula es solo un objeto muy pequeño, donde se pueden despreciar sus dimensiones frente a las dimensiones del entorno.

Centro de masa (gravedad)

Anteriormente representamos la posición de un objeto mediante las coordenadas de un solo Punto [A003], pero debemos preguntarnos qué pasaría si queremos representar la posición de un auto (objeto de grandes dimensiones o también llamado objeto extenso) ¿podríamos decir que el auto está ubicado en X= 25 m? o sea que “todo” el auto está ubicado en ese punto. Todo dependerá de la aplicación que le demos, de hecho en una competencia de velocidad la posición de un auto se representa por la coordenada de la parte más frontal del vehículo, y cuando ese punto cruza la meta se decide el ganador de la carrera. De igual manera podemos analizar un gol en el fútbol, donde solo es válido si toda la pelota cruza la línea del arco, por lo que en este caso se consideran las coordenadas del punto de la parte más trasera del balón. Pero estos 2 ejemplos no dejan de ser casos muy particulares, para generalizar diremos que el punto que representa la posición de un objeto extenso es el llamado Centro de masa (Bauer; 247).

El centro de masa (CM) es el punto en el que podemos imaginar que está concentrada toda la masa de un objeto.

También debemos mencionar que si la densidad de masa de un objeto es constante, el centro de masa (o centro de gravedad) se ubica en el centro geométrico del objeto. Por lo tanto para la mayoría de objetos con los que trabajamos cotidianamente se cumple este requisito: el centro de gravedad está en el punto medio del objeto.

El centro de gravedad (CG) o centro de masa (CM) no es más que la posición promedio de la distribución del peso (Hewit; 139).  

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[M11] (González y ot.) Fisica ES.4 [2007] Cap2 (Material obligatorio)

[V] Centro de gravedad - Proyecto G

Sistema de partículas

En este caso la ubicación del centro de masa (CM) es un punto fijo relativo al sistema de objetos, y no depende de la ubicación del sistema de coordinadas que se use para describirlo.

Veamos un ejemplo para tratar de aclararlo: los contenedores de carga que se pueden transportar por camión, ferrocarril o barco, se fabrican en tamaños estándar (el más común es el ISO 20'), y para determinar el CM del sistema se deben calcular las componentes cartesianas individuales del CM de cada contenedor (conociendo las masas individuales de los 4 contenedores), y luego realizar los siguientes cálculos.

Cuerpo rígido

Es un cuerpo ideal en el que sus partículas tienen posiciones relativas fijas entre sí (no cambian en el tiempo). Esta idealización considera que los cuerpos no sufren deformaciones debido a la acción de fuerzas externas (cuando en realidad todos los cuerpos sufren deformaciones, aunque sean pequeñas o despreciables). A diferencia de lo que hacíamos en el caso de las partículas, en los cuerpos rígidos debemos considerar también sus dimensiones además de su masa. El concepto de cuerpo rígido se utiliza para realizar estudios de mecánica, sobre todo en la rotación de los cuerpos (cinemática rotacional), que no será objeto de este curso.

En futuros análisis de movimiento (variación de la posición del cuerpo en el espacio con el tiempo, sin efectuar rotaciones) será suficiente considerar a los objetos extendidos como partículas puntuales (Giancoli; 182).

Fuentes:
Bauer; Westfall (2011). Física para ingeniería y ciencias Vol 1. Ed. Mc Graw Hill. México.
Giancoli (2006). Física Vol. 1. Ed. 6°.
Hewit (2007). Física conceptual. Ed. 10°.

[A003] Distancia, trayectoria y desplazamiento

Comúnmente los términos distancia y desplazamiento se utilizan como sinónimos, aunque en realidad tienen significados diferentes, para tratar de aclararlo vamos a desarrollar una serie de conceptos.

Posición
Un objeto en movimiento ocupará una posición distinta en cada instante de tiempo. Si la posición del objeto o de la partícula se puede expresar como una ecuación en función del tiempo tendremos la llamada ecuación horaria de la partícula. Según los casos puede ser que se necesite un solo eje de coordenadas (ej. una herramienta que cae de una cierta altura), dos ejes de coordenadas (ej. para colgar un cuadro en una pared), o tres ejes de coordenadas (ej. ubicación de una luminaria suspendida del techo).

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La ecuación de posición o ecuación de trayectoria representa el vector de posición en función del tiempo.

Desplazamiento
El desplazamiento de una partícula en un intervalo de tiempo Δt es la diferencia (vectorial) entre la posición al final del intervalo y la posición inicial.
El vector que representa al desplazamiento tiene su origen en la posición inicial, su extremo en la posición final y su módulo es la distancia en línea recta entre la posición inicial y la final.

El desplazamiento es la distancia en línea recta entre la posición final y la posición inicial.

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Trayectoria

Durante el transcurso de un lapso de tiempo, una partícula en movimiento describe una curva en el espacio (curva desde el punto de vista geométrico, puede ser una recta). Esta curva se conoce como la trayectoria de la partícula.

La trayectoria es la línea que describe la partícula en su movimiento, o lo que es lo mismo, la línea formada por las distintas posiciones que va ocupando la partícula.

Leer también:

[M11] (González y ot.) Fisica ES.4 [2007] Cap2 (Material obligatorio)

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Algunas trayectorias tienen una formulación matemática muy conocida, como por ejemplo:

• Trayectoria lineal
• Trayectoria circular
• Trayectoria parabólica
• Trayectoria elíptica

Por supuesto que también existen trayectorias no tan fáciles de explicitar con ecuaciones matemáticas sencillas (ej. deambular de un borracho).

Distancia
Es la longitud recorrida según una trayectoria determinada, y se trata de una magnitud escalar.

Los valores de la distancia recorrida y el desplazamiento sólo coinciden cuando la trayectoria es una recta. En todos los otros casos la distancia siempre será mayor que el desplazamiento. Si el punto final del recorrido coincide con el punto inicial, el desplazamiento es cero o nulo, porque la partícula se encuentra en el mismo lugar del que partió, esto se llama curva o camino cerrado (ej.: una persona que da una vuelta completa a la manzana).

Por eso es importante distinguir desplazamiento y distancia recorrida, ya que si una partícula recorre una curva cerrada tendrá un desplazamiento nulo y distancia recorrida distinta de cero.

También te puede interesar:

[A]  Posición, trayectoria y ley horaria (GIE).

Fuentes:
Departamento de Física Aplicada III. Universidad de Sevilla.