Cuando aplicamos Superposición en un problema físico, estamos suponiendo un sistema lineal donde la combinación de los efectos individuales produce el efecto de la colectividad. Esto esconde alguna propiedad/magnitud aditiva, una ecuación diferencial lineal… Sin embargo en los sistemas complejos (no lineales) no tiene validez la superposición. Los efectos cooperativos producen casuísticas impredecibles a partir de los efectos individuales. La interacción a pares entre cuerpos es una idealización para sistemas “diluidos”. Cuando el sistema se concentra, las interacciones son de muchos cuerpos con muchos cuerpos. La sincronización espontánea en sistemas complejos acoplados (luz de luciérnagas, vuelo de estorninos, acoplamiento rotación orbital-giro interno de satélites naturales) es otro ejemplo de efecto cooperativo.
Ley de los graves repensada
En Dinámica, dos puntos materiales que poseen diferente inercia y parten del reposo desde un mismo punto, si están sometidos a las mismas fuerzas, sufrirán diferentes aceleraciones y con ello el más inerte irá siempre por detrás del otro (menos inerte). Esto confirma la ley de inercia. Pero, si la única fuerza activa es el peso (caída libre, plano inclinado pulido), la aceleración será la misma (ley de los graves) y la inercia no se manifiesta desde un punto de vista cinemático (lo cual nos hace pensar ya que la fuerza gravitatoria lo mismo no es una fuerza al uso). No ocurre así para sólidos rígidos rodantes, en los que la inercia (rotacional) se manifiesta incluso con el peso como única fuerza activa. ¿Los sólidos rígidos rodantes violan la ley de los graves de Galileo? En realidad, para que ocurra la rodadura ha de existir un contacto adhesivo, manifestado macroscópicamente como rozamiento estático por tanto no es una caída estrictamente libre.
Realicemos este experimento pensado de mayor idealización a menor:
- Un plano inclinado (un ángulo α) perfectamente pulido que no manifiesta ningún rozamiento. Colocamos sobre dicho plano dos bloques de igual tamaño pero muy diferente masa (p.e. macizo y hueco), en contacto mutuo, uno detrás del otro. Soltamos los bloques a la vez y bajan solidariamente con idéntica aceleración igual a g sinα con independencia del ángulo α. Este resultado sólo es compatible con la ausencia de fuerzas internas. La aparición de fuerzas de contacto internas sólo se justificaría si el bloque trasero quisiera bajar antes que el delantero, guiado por su menor inercia quizás, pero las leyes de Newton 2ª y 3ª aplicadas a cada bloque nos llevarían a un movimiento obligatoriamente NO solidario. Reducción al absurdo. La ley de los graves funciona.
- Ahora, el plano es rugoso y existe posibilidad de rozamiento con los bloques (hechos del mismo material). A partir de un determinado ángulo α crítico, soltamos los bloques a la vez y bajan solidariamente con idéntica aceleración pero menor que g sinα debida al rozamiento dinámico. La caída solidaria invalida de nuevo la posibilidad de fuerzas internas de contacto. La ley de los graves sigue siendo válida incluso con rozamiento.
- En esta ocasión, los bloques están hechos de un material muy diferente. Para un determinado ángulo α crítico, soltamos los bloques a la vez y el delantero baja (movimiento incipiente) mientras que el trasero se queda en reposo (constreñido por su rozamiento estático mayor, no por su inercia). Si cambiamos los bloques y repetimos lo anterior, ambos quedan en reposo (el delantero detiene la caída del trasero). Pero si aumentamos el ángulo α, de repente bajan solidariamente con idéntica aceleración pero menor que g sinα debida al rozamiento. En este caso, la caída solidaria no invalida la existencia de fuerzas internas de contacto. La existencia de tanta casuística nos lleva a que la ley de los graves no se cumple en estas condiciones.
La realidad suele coincidir con el supuesto 3 de ahí que la ley de los graves suela ser de primeras tan contraintuitiva.
Clavo ingrávido
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.
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 en reposo se resistiera a moverse, ¿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 aunque no siempre. Como vemos, es difícil desacoplar inercia de rozamiento estático en cuerpos en reposo que buscan el movimiento incipiente. Es más sencillo con cuerpos en movimiento. 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.
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.
