Simulacro Saber 11 - Ciencias Naturales - Dinámica

Introducción general a la dinámica

La dinámica es la rama de la física que se encarga de estudiar las causas del movimiento de los cuerpos.
Analiza las fuerzas que actúan sobre los objetos y la manera en que estas fuerzas alteran su estado de movimiento o de reposo.
A diferencia de la cinemática, que describe cómo se mueven los cuerpos, la dinámica busca explicar por qué se mueven.
Para quienes se preparan para presentar Saber 11, este tema es esencial, ya que abarca conceptos claves como fuerza, masa, inercia, aceleración y las leyes de Newton.
Muchos ejercicios de física, tanto en el colegio como en el ICFES Saber 11, requieren identificar las fuerzas relevantes y aplicar los principios de la dinámica de forma adecuada.

Concepto de fuerza y sus tipos más comunes

En términos sencillos, la fuerza se define como toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo, o de deformarlo.
Según la segunda ley de Newton, la fuerza neta (F_net) es igual a la masa (m) por la aceleración (a):
F_net = m · a.
• Fuerza de gravedad (peso): Todo objeto con masa experimenta la atracción de la Tierra (o de cualquier otro planeta).
El peso es W = m × g, siendo g la aceleración de la gravedad.
• Fuerza normal: Es la que ejercen las superficies para impedir que un cuerpo las atraviese.
Se presenta de manera perpendicular a la superficie de contacto.
• Fuerza de fricción: Ocurre cuando dos superficies están en contacto y se oponen al movimiento relativo entre ellas.
Existen dos tipos principales:
– Fricción estática (F_est), que impide el inicio del deslizamiento hasta cierto valor máximo.
– Fricción cinética (F_cin), que actúa cuando el cuerpo ya está en movimiento.
Ambas se calculan con μ × N, donde μ es el coeficiente de fricción y N la fuerza normal.
• Tensión: Es la fuerza que se da en cuerdas o cables cuando están sometidos a tracción.
Suele considerarse constante en la cuerda si se asume que esta es inextensible y de masa despreciable.
• Fuerza elástica: Ocurre en resortes o elementos elásticos.
Se rige por la ley de Hooke: F = k x, donde k es la constante de elasticidad y x la deformación.
Este conjunto de fuerzas es usual en situaciones de la vida cotidiana y se evalúa con frecuencia en el Examen Saber 11.
Quien comprenda su naturaleza podrá resolver con mayor facilidad los problemas planteados sobre equilibrio, aceleraciones o movimientos sobre planos inclinados.

Leyes de Newton

Las leyes de Newton constituyen el marco fundamental de la dinámica.
Su dominio es imprescindible en la Preparación Saber 11, ya que explican la relación entre fuerzas y movimiento.

Primera ley de Newton o ley de inercia

Afirma que todo cuerpo tiende a conservar su estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme, a menos que una fuerza externa actúe sobre él.
Este comportamiento se conoce como inercia.
Un objeto en reposo no se moverá si no se le aplica alguna fuerza neta, y un objeto en movimiento no se detendrá o cambiará su velocidad a menos que una fuerza externa se lo imponga.
Ejemplo: Un astronauta que empuja un objeto en el espacio observa cómo este sigue viajando a velocidad constante, pues no existe una fuerza de rozamiento que lo frene.

Segunda ley de Newton

Expresa que la aceleración que experimenta un objeto es proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa.
En forma de ecuación:
F⃗_net = m ⃗a.
Interpretando esta ley, se entiende que, para lograr una aceleración mayor, se puede:
Aumentar la fuerza aplicada.
Disminuir la masa sobre la que se aplica la fuerza.
Ejemplo: Un automóvil de masa grande requiere mayor fuerza para adquirir la misma aceleración que un automóvil de masa menor.
Por ello, con la misma fuerza de frenado, un camión tarda más en detenerse que un auto ligero.

Tercera ley de Newton o ley de acción y reacción

“Si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, este segundo ejerce sobre el primero una fuerza de igual magnitud y sentido contrario.”
Estas fuerzas aparecen en parejas y no se anulan porque actúan sobre cuerpos distintos.
Ejemplo: Un nadador que empuja el agua hacia atrás provoca que el agua, a su vez, ejerza una fuerza igual y opuesta que lo impulsa hacia adelante.
Esta formulación es clave para resolver muchas situaciones de contacto, y a menudo aparece en preguntas que involucran interacciones entre dos objetos.

Equilibrio y fuerza neta

En el contexto de la dinámica, se dice que un sistema está en equilibrio cuando la fuerza neta que actúa sobre él es cero.
Esto puede suceder en dos casos:
• Equilibrio estático: El objeto permanece en reposo.
• Equilibrio dinámico: El objeto se mueve con velocidad constante.
Para resolver problemas de equilibrio, se deben analizar todas las fuerzas que intervienen y sumar vectores para garantizar que el resultado sea cero.

Movimiento en planos inclinados

Cuando un cuerpo se ubica sobre un plano inclinado, la fuerza de la gravedad puede descomponerse en dos componentes: una perpendicular al plano (contrarrestada por la fuerza normal) y otra paralela al plano (responsable de que el objeto se deslice o requiera cierta fuerza para moverse).
Si no existe fricción, la aceleración en el eje del plano se determina por:
a = g sin(θ),
donde θ es el ángulo de inclinación.
Muchas situaciones en ICFES Saber 11 requieren el análisis de planos inclinados con y sin fricción.

Fuerzas en sistemas con cuerdas y poleas

En varios problemas de mecánica, se emplean cuerdas y poleas ideales (sin masa y sin fricción).
La tensión en la cuerda suele considerarse constante en toda su longitud si no hay cambios de sección, roces o masas variables.
Cuando hay dos objetos conectados por una cuerda, la aceleración suele ser la misma para ambos, y es necesario plantear las ecuaciones de Newton para cada objeto por separado o para el sistema completo.
Ejemplo típico:
Dos masas conectadas por una cuerda, donde una cuelga del borde de la mesa y la otra está sobre la superficie.
Al soltarlas, la masa colgante tira de la masa sobre la superficie y se genera un movimiento conjunto.

Análisis de fuerzas de fricción

La fricción se opone al movimiento relativo entre superficies en contacto.
Distingue:
Fricción estática (F_est ≤ μ_sN): Impide el deslizamiento inicial y asume cualquier valor hasta un máximo definido por μ_sN.
Fricción cinética (F_cin = μ_kN): Actúa cuando el cuerpo ya se desliza.
Suele ser menor que la fricción estática máxima.

Dinámica de rotación y torque (nociones básicas)

Si bien la mayoría de problemas de nivel medio se centran en el movimiento lineal, vale la pena mencionar que para objetos que giran o poseen fuerzas fuera de su eje central se introduce el concepto de torque o momento de fuerza (τ).
Sin embargo, en muchas situaciones de la vida diaria que veremos en el colegio, centrarse en la fuerza neta y en el equilibrio lineal suele ser suficiente.

Casos comunes de aplicación

Movimiento en ascensores

Cuando se analiza un ascensor, se debe considerar:
El peso del cuerpo dentro del ascensor (m g).
La fuerza de tensión del cable (o fuerza normal, si analizamos a la persona sobre el piso del ascensor).
Si el ascensor acelera hacia arriba, la báscula leerá un valor superior al peso en reposo.
Si acelera hacia abajo, leerá un valor menor.
Esto es frecuente en el Examen Saber 11, donde se evalúa la habilidad del estudiante de interpretar correctamente las variaciones aparentes de peso.

Proyectiles y caídas libres

En proyectiles lanzados en dirección horizontal, el tiempo de caída depende únicamente de la altura y de la aceleración de la gravedad.
No importa la velocidad horizontal para determinar cuánto tardará en llegar al suelo.
Por otra parte, cuando se lanza verticalmente un objeto, la fuerza neta es su peso, y la desaceleración o aceleración se rige por g (si se desprecia la resistencia del aire).

Sistemas de varias masas

Suele haber problemas en la Preparación Saber 11 en donde dos o más masas están conectadas entre sí.
Ejemplos comunes:
Dos bloques unidos por una cuerda sobre una mesa y uno de ellos colgando al borde.
Varias poleas que redistribuyen las tensiones.
En estos casos, conviene aplicar las leyes de Newton a cada masa por separado y, a continuación, relacionar las ecuaciones mediante la tensión en la cuerda o la aceleración compartida.

Recomendaciones para resolver problemas de dinámica

Dibuja el diagrama de cuerpo libre: Identifica todas las fuerzas actuantes (peso, normal, fricción, tensión, etc.).
Descompón las fuerzas: Si hay planos inclinados o fuerzas en ángulo, separa los componentes en los ejes adecuados.
Escribe la segunda ley de Newton: Suma vectorial de fuerzas igual a masa por aceleración.
Considera la fricción si corresponde: Aplica las fórmulas de fricción estática o cinética según sea el caso.
Usa las ecuaciones de movimiento: Para cinemática (relaciones entre velocidad, tiempo y aceleración).
Revisa las direcciones: Define un eje de referencia coherente y mantén el signo (+/−) coherente.
Realiza un análisis dimensional: Revisa que las unidades en tu resultado final tengan sentido.
Si buscas una fuerza, debe estar en newtons (N); si buscas una aceleración, en m/s²; etc.

Importancia del estudio de la dinámica

Los problemas de fuerza, aceleración y equilibrio son de alta relevancia en muchos ámbitos de la física y la ingeniería.
Para el ICFES Saber 11, es común encontrar preguntas que requieren comprender la relación entre la masa de un objeto y la fuerza neta sobre él.
Este tipo de análisis se hace constantemente en el salón de clases, en laboratorios de física y en la aplicación de la teoría a situaciones cotidianas, como el frenado de un vehículo o el ascenso de un objeto por una superficie inclinada.
El estudio de estos principios forma parte de la base para desempeñarse bien en el Examen Saber 11.
A la vez, practicarlos de manera constante es la mejor forma de afianzar los conocimientos y asegurar un buen dominio de la temática.

Síntesis y conexión con el aprendizaje

La dinámica provee el lenguaje para describir cómo y por qué los objetos se aceleran o mantienen su movimiento.
Para fortalecer estas habilidades, la Preparación Saber 11 debe incluir tanto la comprensión teórica de las leyes de Newton como el entrenamiento en diversos ejercicios.
Una estrategia eficaz consiste en analizar paso a paso las fuerzas involucradas y verificar el balance entre ellas.
• Recuerda que el peso y la normal se contrarrestan en superficies horizontales sin aceleración vertical.
• Considera que, en casos con planos inclinados, no toda la fuerza de la gravedad se opone al movimiento, sino solo el componente paralelo.
• Para los sistemas con cuerdas o poleas, la tensión suele ser igual en toda la cuerda ideal, pero varía según el número de secciones de cuerda que sostienen las masas.
• No olvides que las fuerzas de acción y reacción actúan simultáneamente y sobre cuerpos diferentes.
Entender estos fundamentos hará más sencillo resolver problemas de distintos niveles de dificultad en clase y en pruebas oficiales.
Esperamos que esta guía te ayude a reforzar tu dominio de la dinámica y de las aplicaciones de las leyes de Newton.
La práctica constante y la resolución de ejercicios variados son las claves para asimilar estos conceptos.
Con un enfoque disciplinado, podrás resolver tanto problemas sencillos de fricción y planos inclinados como otros más complejos sobre sistemas conectados y movimiento vertical.
¡Ánimo en tu proceso de estudio!