Dentro de un cilindro hueco abierto por su extremo superior tenemos un clavo de hierro que se puede mover libremente dentro del cilindro. En el extremo superior abierto del cilindro colocamos un imán. Imán y clavo están a una distancia suficiente como para no atraerse y moverse por ello. De repente dejamos caer el conjunto, liberados de ligaduras tanto el cilindro como el clavo (aunque éste estuviera en contacto con la base del cilindro). Rápidamente, el conjunto clavo-cilindro cae solidario pues el clavo es atraído al imán provocando la unión de ambos. ¿Por qué? El cilindro con el imán sufre dos fuerzas a favor de la caída (peso y fuerza de atracción magnética) mientras que el clavo sufre el peso a favor de la caída y la fuerza de atracción magnética en sentido opuesto a la caída. Tras un tiempo, las aceleraciones de ambos se diferencian lo suficiente como para acercarse durante la caída y unirse.
Composición de movimientos desde la interpretación energética
Muchos problemas de cinemática en sistemas conservativos, que no dependen del tiempo, se deducen por conservación de la energía. De la misma manera, la composición de movimientos (independientes, es decir, perpendiculares) se puede inferir a partir de la forma analítica de la energía mecánica. Si es posible escribir la energía mecánica con variables separables, es decir, términos aditivos que dependen exclusivamente de cada variable y por tanto, cada uno de ellos ha de ser constante, estamos ante una problema de composición de movimientos. Aplíquelo al tiro parabólico usando x e y como variables.
En Física, no todos los problemas se pueden tratar con variables separables. Sin embargo, es una hipótesis poco restrictiva porque revela la superposición de movimientos (como en las funciones de ondas).
Rozamiento estático e inercia, ¿se confunden en la práctica?
El rozamiento estático es la resistencia al movimiento relativo incipiente entre cuerpos. La inercia es la resistencia a cambiar de estado de movimiento de un cuerpo. Para que se manifiesten debe existir tentativa al movimiento relativo o cambio de movimiento, respectivamente. Si un cuerpo apoyado se resistiera a moverse por acción de una fuerza deliberada, ¿cómo sabremos si es por su inercia (masa) o por el rozamiento estático con el apoyo? Para mover cualquier cuerpo desde el reposo se requiere de un impulso finito (fuerza neta positiva integrada en el tiempo) que dependerá de la masa a priori (cantidad de movimiento inicial). El rozamiento estático máximo depende de la reacción de apoyo, que de alguna manera puede depender del peso del cuerpo (masa gravitatoria) aunque no siempre. Como vemos, es difícil desacoplar inercia de rozamiento estático en cuerpos que tienden al movimiento incipiente. Es más sencillo con cuerpos en movimiento manifiesto. Supongamos un cuerpo trazando una curva. La propia inercia del cuerpo justifica la tentativa a salirse por la tangente y con ella, la aparición del rozamiento estático en dirección normal a la curva. Como vemos, la inercia origina el rozamiento estático pero la velocidad máxima de trazado de curva NO depende de la masa del cuerpo y sí del coeficiente de rozamiento estático.
Tres esferas de igual área y forma, pero diferente masa, se cuelgan respectivamente de tres cuerdas idénticas en aire en calma (viscosidad pequeña, flujo laminar). Se desplazan la misma amplitud A (por debajo de 20º), se sueltan y se observa que la esfera más liviana se detiene antes y la más pesada, la última. ¿Cuál es el motivo? El diferente coeficiente es β=b/(2*inercia) donde b es un parámetro que depende de la viscosidad del medio y de la geometría del cuerpo. Si se desplazara cada esfera distinta amplitud, de manera que el producto inercia*A² (energía) fuera constante, ¿se lograría teóricamente igualar los tiempos de frenado? No. Siempre llegará teóricamente antes al reposo la esfera más ligera y más tarde la esfera más pesada.
¿Tiro parabólico o tiro elíptico?
En el movimiento de un cuerpo puntual sometido a la fuerza peso (aproximación de la fuerza gravitatoria de la Tierra en las cercanías a su superficie) resulta una parábola (siempre que la velocidad inicial no lleve la dirección de la aceleración). Sin embargo, según la teoría de fuerzas centrales, una cónica parabólica es la trayectoria de escape de la atracción gravitatoria. La aparente contradicción está en el tratamiento de la fuerza peso como una fuerza constante, por tanto no central. Además, una elipse se puede aproximar a una parábola en las cercanías de su ápside (apogeo). La trayectoria exacta del tiro oblícuo desde la superficie terrestre es el arco de una elipse.
Potencia, ¿trabajo o energía por unidad de tiempo?
La potencia mecánica consumida por una determinada fuerza es su trabajo elemental por unidad de tiempo infinitesimal o también la derivada temporal del trabajo realizado (integral) por dicha fuerza en una trayectoria dada (y con ella, en un tiempo dado). La potencia eléctrica también se define como el trabajo elemental eléctrico (de origen electrostático o no) consumido por unidad de tiempo infinitesimal. Sólo para el caso de movimiento de cuerpos (cargas), la potencia instantánea se puede escribir como el producto escalar de fuerza por velocidad. La derivada temporal de la energía mecánica NO es la potencia mecánica total. Numéricamente, la derivada temporal de la energía mecánica puede coincidir con una de las potencias consumidas (normalmente por fuerzas disipativas).
Un medio material se puede modelar como un conjunto de osciladores armónicos ACOPLADOS. En ese modelo, la energía mecánica de cada oscilador no es constante. La potencia de una onda mecánica, que nunca transporta materia aunque se origina por el movimiento local del medio, es la derivada de la energía mecánica local de un elemento infinitesimal del medio (un oscilador armónico) por el que se propaga la onda. En medios no absorbentes y ondas progresivas, esta potencia se conserva punto a punto y en ondas finitas (pulsos), la potencia se propaga con la onda.
Ambas potencias se miden en W.
