En una polea giratoria, una cuerda ideal NO se mueve respecto de la polea, ya que por rozamiento estático se mueve solidaria a ella. El giro (acelerado) de la polea estará justificado por las tensiones que ejerce la cuerda. Esto impide que la tensión a lo largo de la cuerda se transmita, salvo que la polea gire uniformemente. Si la polea fuera fija (no giratoria), la cuerda deslizaría sobre la polea y la tensión sí se transmitiría (despreciando el posible rozamiento dinámico). Si la polea giratoria no tuviera apenas inercia (sin masa), las tensiones se transmitirían.
Equilibrio
En Física, la idea de equilibrio es recurrente, sin embargo, no existe una definición aplicable a todos los contextos de la Física. En Dinámica, la definición amplia de equilibrio sería aquél estado de movimiento (vector velocidad) que perdura en el tiempo, y por tanto es estacionario. La Cinemática nos dice que en este estado estacionario el móvil no está acelerado (MRU). El reposo o estado estático es un caso particular de equilibrio, más restrictivo a priori. En sentido estricto, la Física es incapaz de distinguir entre un estado estático o estacionario (aceleración nula), al depender del estado de movimiento del sistema de referencia empleado. La invarianza del estado de movimiento se puede ampliar a la rotación (MCU), refiriéndose a un equilibrio dinámico donde no existe un origen de tiempos.
Para los movimientos o fenómenos que ocurren alrededor de una posición o configuración de equilibrio, como en los elásticos, el equilibrio es una referencia imprescindible. Así, en el sistema muelle-masa colgante, es posible escribir la energía potencial total tomando como referencia el equilibrio como una energía potencial elástica en términos de elongación, sin aparentemente considerar la gravitatoria.
Existen diferentes tipos de equilibrio, estático en este caso, que la Dinámica de fuerzas y torques no permite distinguir. Pensemos en un tronco de cono y en las diferentes formas que somos capaces de colocarlo sobre una mesa. Veremos que existen hasta cuatro posiciones del tronco de cono con diferente facilidad para volcar (cambiar de estado de equilibrio). Una es indiferente a cualquier perturbación que pretenda volcar el tronco de cono. Otra posición es muy sensible y las otros dos son más resistentes, aunque con diferente grado de resistencia al vuelco. Esto refleja la (meta)estabilidad del sistema: la resistencia a permanecer en equilibrio, que en muchas ocasiones es igual de importante que el propio equilibrio. La Física de fuera del equilibrio, entendida como el estudio de los procesos o fenómenos irreversibles, es muy compleja.
¿Cómo trata la Mecánica Lagrangiana la fuerza de rozamiento dinámico?
La fuerza de rozamiento dinámico, aunque estrictamente se considera una ligadura NO IDEAL (limita el movimiento manifiesto), podemos manipularla como una fuerza activa, que realiza trabajo (virtual), aunque su módulo depende de una ligadura. Para aplicar las ecuaciones de Lagrange, deberá encontrarse una función de Rayleigh asociada a la fuerza de rozamiento dinámico o bien tenerla en cuenta en el cálculo de las fuerzas generalizadas de origen no potencial [1, 2].
Modelo mecánico de efecto Doppler
Calcular la frecuencia de golpeo frontal de los perdigones que salen de un cañón móvil (vC) contra una pared también móvil (vP) dispuestos en vertical en un medio viscoso. La frecuencia de disparo del cañón es fC y cada perdigón alcanza su velocidad límite V inmediatamente después del disparo. ¿Qué ocurre si vC=V y el cañón se mueve a favor del disparo? ¿y si vp=V alejándose la pared del cañón? En el primer caso, los perdigones se agolparían en la boca listos para colisionar de golpe contra la pared (frecuencia infinita) cuando el cañón la alcance y en el segundo, los perdigones nunca alcanzarían la pared (frecuencia nula).
Movimientos periódicos, oscilatorios, de vaivén y armónicos simples
Los movimientos periódicos son los que se repiten (mismo estado del movimiento en una misma posición) cada cierto tiempo (período). Ej.- MCU, órbita elíptica… Los movimientos oscilatorios son los periódicos que poseen puntos de retorno (velocidad nula) y un punto de equilibrio (aceleración nula). Ej.- Bola rodando dentro de una cavidad semiesférica. Algunos movimientos de vaivén pueden ser periódicos con puntos de retorno pero sin un punto de equilibrio. Ej.- Bola botando elásticamente contra el suelo. Los movimientos armónicos simples son oscilatorios que cumplen una determinada ecuación del movimiento. Ej.- sistema masa-muelle. En este caso, lo que se repite es la fase del movimiento. Si durante un movimiento oscilatorio, el equilibrio, periodo o amplitud variaran ya no sería estrictamente periódico. Ej.- sistema masa-muelle desplazando el muelle, péndulo paramétrico (botafumeiro), oscilador amortiguado…