La dinámica estudia las causas del movimiento. Isaac Newton las resumió en tres leyes, publicadas en 1687 en sus Principia, que siguen siendo la base para entender por qué frena un coche, por qué flota un globo o cómo despega un cohete. En esta lección repasamos el concepto de fuerza, las tres leyes de Newton y las fuerzas más habituales.
Una fuerza es una interacción entre dos cuerpos capaz de cambiar su estado de movimiento o de deformarlos. Es una magnitud vectorial y se mide en newtons (1 N = 1 kg·m/s²). Cuando sobre un cuerpo actúan varias fuerzas, su efecto conjunto es el de la fuerza resultante o fuerza neta, que es su suma vectorial.
Primera ley (ley de inercia). Si la fuerza resultante sobre un cuerpo es nula, el cuerpo permanece en reposo o se mueve con MRU. La inercia es la tendencia de los cuerpos a mantener su estado de movimiento, y la masa es su medida.
Segunda ley (ley fundamental de la dinámica). La fuerza resultante es igual a la masa por la aceleración: ΣF = m·a. La aceleración tiene la misma dirección y sentido que la fuerza resultante. De forma más general, la fuerza es igual a la variación del momento lineal (p = m·v) por unidad de tiempo: F = Δp/Δt. El producto F·Δt se llama impulso.
Tercera ley (acción y reacción). Si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre B, B ejerce sobre A una fuerza de igual módulo y dirección y sentido contrario. Estas dos fuerzas actúan sobre cuerpos distintos, por eso nunca se anulan entre sí.
Fuerzas más frecuentes:
Cómo resolver un problema de dinámica: 1) dibuja el cuerpo aislado con todas las fuerzas que actúan sobre él (diagrama de cuerpo libre); 2) elige unos ejes, uno de ellos en la dirección del movimiento; 3) descompón las fuerzas que no estén sobre los ejes; 4) aplica ΣF = m·a en la dirección del movimiento y ΣF = 0 en la perpendicular.
Ojo con un error muy común: masa y peso no son lo mismo. La masa (kg) es una propiedad del cuerpo y no cambia; el peso (N) es una fuerza y depende del valor de g en el lugar.
Ejemplo. Se arrastra un bloque de 4 kg sobre una superficie horizontal tirando con una fuerza horizontal de 20 N. El coeficiente de rozamiento es μ = 0,25. Calcula la aceleración (g = 9,8 m/s²).
Si se dejara de tirar, la única fuerza horizontal sería el rozamiento y el bloque frenaría con a = −9,8/4 = −2,45 m/s².
Sobre un bloque de 10 kg apoyado en una superficie horizontal se aplica una fuerza horizontal de 50 N. Si el coeficiente de rozamiento es 0,2 y g = 9,8 m/s², ¿cuál es la aceleración del bloque?
Un libro está en reposo sobre una mesa. Según la tercera ley de Newton, ¿cuál es la reacción al peso del libro?
La termoquímica estudia los intercambios de energía (en forma de calor) que se producen durante las reacciones químicas. Nos permite predecir si una reacción liberará o absorberá energía.
• Sistema: la parte del universo que estudiamos (la reacción).
• Entorno: todo lo que rodea al sistema.
• Reacción exotérmica: libera calor al entorno. Los productos tienen menos energía que los reactivos. ΔH < 0.
• Reacción endotérmica: absorbe calor del entorno. Los productos tienen más energía que los reactivos. ΔH > 0.
La ley de Hess establece que la variación de entalpía de una reacción depende solo de los estados inicial y final, no del camino seguido. Esto permite calcular ΔH de una reacción a partir de otras reacciones conocidas.
La entalpía de formación estándar de un compuesto es el ΔH cuando se forma 1 mol de dicho compuesto a partir de sus elementos en su estado estándar (25 °C, 1 atm).
La energía de enlace es la energía necesaria para romper un mol de enlaces en fase gaseosa. Romper enlaces requiere energía (endotérmico); formar enlaces la libera (exotérmico).
Los diagramas entálpicos representan gráficamente la variación de entalpía durante una reacción:
• En una reacción exotérmica, los productos están a un nivel energético más bajo que los reactivos. La flecha ΔH apunta hacia abajo.
• En una reacción endotérmica, los productos están a un nivel energético más alto. La flecha ΔH apunta hacia arriba.
• La energía de activación (Ea) es la barrera energética que deben superar los reactivos para que la reacción tenga lugar. Los catalizadores reducen Ea pero no modifican ΔH.
El ciclo de Born-Haber es una aplicación de la ley de Hess para calcular la energía reticular de un compuesto iónico. Consiste en descomponer la formación del compuesto en etapas con entalpías conocidas:
1. Sublimación del metal sólido.
2. Disociación de la molécula del no metal.
3. Ionización del metal (energía de ionización).
4. Captación de electrones por el no metal (afinidad electrónica).
5. Formación de la red cristalina (energía reticular, el valor buscado).
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