Tema 6 (Ampliación de Física): Dinámica tridimensional del sólido rígido

El estudio de la dinámica tridimensional de un sólido rígido es más complejo que el estudio de la dinámica plana del sólido rígido. Una cuestión importante a tener en cuenta es que en el caso tridimensional no sólo puede cambiar el módulo de los vectores velocidad angular ω, aceleración angular α y momento angular L, sino que también pueden cambiar sus orientaciones en el espacio. Recordemos que en la dinámica plana los vectores ω, α y L siempre se mantienen perpendiculares al plano del movimiento, de modo que si consideramos éste como el plano xy, entonces estos tres vectores tienen la dirección del eje z siendo, por tanto, paralelos entre sí.

Una vez familiarizados en temas anteriores con las técnicas utilizadas para determinar momentos de inercia y para analizar el movimiento de traslación y rotación de un sólido rígido en movimiento plano, se van a determinar las ecuaciones que describen el movimiento tridimensional de un sólido rígido que, en el caso en el que los ejes xyz solidarios con el sólido rígido tengan como origen el centro de masa G del sólido y además sean ejes principales de inercia, se reducen a las ecuaciones de Euler.

Se verá como, en el caso más general, los vectores ω y L  no serán colineales, a diferencia de lo que sucede en el caso del movimiento plano.

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Tema 7. Materiales y condensadores

A partir de los conceptos expuestos en el tema anterior, en éste se estudian los conductores en equilibrio electrostático. Se puede definir un conductor como un material en el que las cargas eléctricas se pueden mover libremente. Haciendo uso de la ley de Gauss se deduce que la carga y el campo eléctrico en el interior de un conductor en equilibrio electrostático son nulos de modo que si el conductor está cargado su carga debe estar en la superficie. También utilizando la ley de Gauss se obtiene el valor del campo eléctrico en puntos exteriores próximos a la superficie del conductor, expresión conocida como teorema de Coulomb, comprobándose que en la superficie del conductor el campo eléctrico es normal a la misma. También se muestra como el potencial eléctrico es constante en todos los puntos de un conductor en equilibrio electrostático y, por tanto, que su superficie es una superficie equipotencial. De especial interés resulta el estudio del comportamiento de un conductor cuando se sitúa en un campo eléctrico externo, señalando que se producirá un movimiento transitorio de cargas dentro del conductor, dando lugar a un nuevo campo que, añadido al exterior, provoca un campo eléctrico interior resultante nulo. así como la discusión de la presión electrostática sobre la superficie de un conductor cargado, el poder de las puntas (campo eléctrico más intenso cerca de los puntos del conductor de menor radio de curvatura, como en los bordes o zonas puntiagudas) o el concepto de ruptura dieléctrica, es decir, el fenómeno por el cual muchos materiales no conductores se ionizan en campos eléctricos muy altos y se convierten en conductores. La magnitud del campo eléctrico para el cual tiene lugar la ruptura dieléctrica en un material se conoce como resistencia dieléctrica. Finalmente resulta interesante estudiar algunos sistemas de conductores, sobre todo aquéllos que contienen huecos en los que hay colocados otros conductores analizando el concepto de pantalla eléctrica.

La última parte del tema se dedica al estudio de la capacidad, los condensadores y los dieléctricos. Se introduce el concepto de capacidad y se lleva a cabo un análisis de las propiedades eléctricas de la materia desde los puntos de vista microscópico y macroscópico. Se estudia la capacidad de un condensador, dispositivo útil para almacenar carga y energía, formado por dos conductores muy próximos, pero aislados el uno del otro, que conectados a una diferencia de potencial, tal como una batería, adquieren cargas iguales y opuestas. Se estudian distintos tipos de condensadores como el de láminas planoparalelas, el cilíndrico y el esférico. Se analiza el almacenamiento de energía que se produce durante la carga de un condensador y se introduce el concepto de densidad de energía de un campo electrostático. La energía almacenada en un campo eléctrico es igual a la que se necesita para establecer el campo. Otras cuestiones a estudiar son la asociación de condensadores y las variaciones en la capacidad, el campo, el potencial y la carga eléctrica de un condensador cuando se introduce entre sus láminas un material dieléctrico, dependiendo si el condensador está aislado o no. Es importante hacer mención de que la función del dieléctrico situado entre las placas de un condensador no es sólo la de aumentar su capacidad, sino que también proporciona un medio mecánico para separar los dos conductores, que deben estar muy próximos y aumenta la resistencia a la ruptura dieléctrica en el condensador debido a que la resistencia dieléctrica de un dieléctrico es generalmente mayor que la del aire. Finalmente se estudian los dieléctricos desde un punto de vista microscópico. Los dieléctricos se distinguen de los conductores porque no tienen cargas libres que se puedan mover a través del material, al ser sometidos a un campo eléctrico. Se habla de los dieléctricos apolares y polares y su comportamiento en un campo eléctrico externo el cual, en última instancia, orienta en la dirección del campo eléctrico las moléculas que poseen un momento dipolar permanente o aquéllas en las que se ha inducido un momento dipolar, pues en un dieléctrico polarizado cada molécula se comporta como un dipolo eléctrico. Estas moléculas están sometidas a un par que tienen a alinearlas con el campo, pero las colisiones debidas a la agitación térmica de las moléculas tienden a impedir este alineamiento.

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Las ecuaciones del electromagnetismo y una tatarabuela de Maxwell

El físico escocés James Clerk Maxwell nació el 13 de junio de 1831 en Edimburgo en el seno de una familia acomodada. Su vida transcurrió durante la consolidación de la revolución industrial en Gran Bretaña, en la era victoriana y en pleno auge del Imperio Británico, en una sociedad cambiante con una expansión demográfica sin precedentes.

Al leer “James Clerk Maxwell”, y siguiendo la costumbre anglosajona de mantener sólo un apellido, el del padre, probablemente pensamos que su nombre es compuesto, “James Clerk”, y su apellido es “Maxwell”. Sin embargo, realmente su primer apellido no era “Maxwell”, sino “Clerk” (de los “Clerk” de Penicuik) y además el apellido de su madre era Cay (de los “Cay” de Northumberland). Lo que sucedió es que su bisabuelo George Clerk (cuarto Baronnet) se casó con su prima Dorothea, cuya madre se llamaba Agnes Maxwell (de los “Maxwell” de Midelbie), y al heredar las fincas de la familia Maxwell, y por temas legales, añadió “Maxwell” a su primer apellido “Clerk”, quedando su apellido desde entonces como “Clerk Maxwell”, que además sólo llevaban los que heredaban las fincas de Midelbie de los Maxwell. Los demás hijos, incluido el hijo mayor que heredaba las propiedades de los Clerk en Penicuik, eran sólo “Clerk”.

En conclusión, las ecuaciones del electromagnetismo llevan el nombre del primer apellido de una tatarabuela de Maxwell.

BIBLIOGRAFÍA

J. C. Maxwell’s Heritage: the Ancestral Origins of his Genius

J. M. Sánchez Ron, J. M. (ed.), J. C. Maxwell: Materia y movimiento (Crítica. Barcelona, 2006)

J. Gabàs, La naturaleza de la luz: Maxwell. (Nivola Libros y Ediciones. Madrid, 2012)

A. Beléndez, “Mi clásico favorito: James Clerk Maxwell”, Revista Española de Física, Vol. 30, Nº 3, pp. 62-73 (2016)

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Tema 5 (Ampliación de Física): Dinámica plana del sólido rígido

En este tema y en siguiente se estudiará la dinámica del sólido rígido, esto es, las relaciones existentes entre las fuerzas que actúan sobre el sólido rígido, la forma y la masa del cuerpo, y el movimiento que se produce. En “Fundamentos Físicos de la Ingeniería I” ya se estudiaron relaciones similares para una partícula, un sistema de partículas y un sólido rígido que rota alrededor de un eje fijo que pasa por su centro de masa G. Los resultados que se obtendrán en este tema se limitarán en dos formas:

  • Movimiento plano del sólido rígido, esto es, el movimiento en el que cada partícula del cuerpo permanece a una distancia constante de un plano de referencia fijo.
  • Salvo que se señale lo contrario, se considerarán sólidos rígidos que son simétricos respecto al plano de referencia, esto es, tienen un eje de inercia principal perpendicular al plano de referencia.

En el caso del movimiento plano en el plano xy, tanto la velocidad angular ω, como la aceleración angular α y el momento angular o cinético L son perpendiculares al plano xy, es decir, tienen la dirección del eje z.

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Tema 4 (Ampliación de Física). Estática del sólido rígido

La estática es la parte de la mecánica que se ocupa de los cuerpos sometidos a fuerzas equilibradas, es decir, cuerpos que están en reposo o en movimiento rectilíneo y uniforme. La estática del sólido rígido constituye una parte importante de la mecánica del sólido rígido porque proporciona métodos para la determinación de las reacciones en los enlaces, y de las relaciones entre las distribuciones de fuerzas interiores y las cargas exteriores en las estructuras estacionarias. Muchos problemas prácticos de ingeniería que comportan cargas soportadas por componentes estructurales se pueden resolver utilizando las relaciones que se desarrollan en estática.

Cuando se aplican en estática del sólido rígido las condiciones de equilibrio, se supone que el cuerpo permanece rígido. Sin embargo, todos los cuerpos se deforman cuando están sometidos a cargas. Esto último se estudiará en la asignatura “Resistencia de Materiales”, mientras que nosotros supondremos que el cuerpo permanecerá rígido y no se deformará.

En este tema se desarrollarán las ecuaciones de equilibrio para un sólido rígido, se presentará el concepto de diagrama de sólido libre y se mostrará cómo resolver problemas de equilibrio de sólidos rígidos.

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