Dinámica de un solido rígido

Sólido rígido es un cuerpo ideal en el que las distancias existentes entre sus moléculas se mantienen absolutamente inalterables, de tal suerte que su forma y su volumen son fijos determinados. En la naturaleza no existen sólidos rígidos. Algunos como el vidrio, el mármol, etcétera, poseen unas características que los acercan notablemente.

En tanto que otros, como la goma o el plástico, tienen un comportamiento muy distinto del que es propio de un sólido rígido.

Conservación de la energía mecánica

En la conservación de la energía mecánica  se deriva de la conservación de la energía en general. En el plano inclinado se dijo que el trabajo realizado por la fuerza-peso más el trabajo producido por la fuerza-implicada es igual a la variación de energía cinética, y el trabajo que resulta de la fuerza-peso cambiando de signo mide en consecuencia la variación de energía potencial.

En la caída libre de un cuerpo puede observarse que en el momento en que se inicia la misma desde una altura h, la

y

Aunque en el momento del contacto del cuerpo con la superficie no se pierde la energía, pues de mecánica se transforma en calor. Llamando energía mecánica a la suma de la potencial y  la cinética, se puede afirmar que: el trabajo de las fuerzas exteriores actuantes sobre un cuerpo es igual que el aumento de energía mecánica.

Movimiento de un sólido rígido

El estudio del movimiento de un sólido rígido es mucho más complejo que el movimiento de una partícula, motivo por el que dicho estudio en su caso general nunca se aborda directamente.

En principio, se consideran dos movimientos sencillos:

  1. Movimiento de traslación: Un sólido rígido posee movimientos de traslación cuando todas sus partículas describen trayectorias paralelas.
  2. Movimiento de rotación: Un sólido rígido en el cual se puede comprobar que cualquiera de sus puntos se mueve describiendo una circunferencia con centro en una misma recta (eje de rotación), en un plano perpendicular a ella, con movimiento uniforme, realiza una rotación uniforme alrededor de su eje.

Movimiento de traslación

Un sólido rígido posee movimientos de traslación cuando todas sus partículas describen trayectorias paralelas.

Velocidad angular

Es el ángulo descrito por uno de los planos que contienen el eje en la unidad de tiempo.

Si empleamos un tiempo T en dar un giro completo  , la velocidad angular será:

Si en un segundo cumple n vueltas es

Por lo tanto:

El vector de velocidad angular

Es el que representa a la velocidad angular. Tiene la dirección del eje de rotación y su sentido es el mismo que seguiría un tirabuzón al girar en el mismo sentido que el cuerpo; por esta razón a esta forma de determinar el sentido se le llama regla del tirabuzón.

Establecer si el sentido es positivo o negativo es arbitrario, pero comúnmente se considera positivo cuando la rotación es contraria al movimiento de las agujas del reloj y negativo al opuesto.

En un cuerpo animado por un movimiento de rotación todos los puntos tienen la misma velocidad angular, pero la velocidad de traslación de cada uno es distinta, por que depende de su distancia al eje de rotación.

Considerando que T es el período y V es la velocidad tangencial de un punto respecto al eje de rotación.

Por ejemplo:

Si se emplease la frecuencia ordinaria, esta ecuación sería:

Velocidad angular como vector

El vector velocidad angular obedece a la regla del sacacorchos. En varias situaciones, es interesante de asociar un vector a la velocidad angular. El vector que se le asocia tiene como módulo el valor escalar de la velocidad angular y como dirección, la del eje de rotación siguiendo la regla del sacacorchos: la dirección del vector velocidad angular de un tornillo que gira es la del sentido de su avance.

Ejemplo de utilización: Si el radio de giro de un punto se representa por un vector que va del centro de rotación hasta el punto, la velocidad tangencial del punto se escribe: Donde el símbolo indica el producto vectorial.

Energía cinética

Si un cuerpo de masa m está animado de una velocidad v, para detenerlo debemos aplicar una fuerza de sentido contrario comunicando así una aceleración negativa /m, lo que convierte el movimiento en uniformemente retardado. La fuerza a  aplicada producirá, hasta detener el cuerpo, un trabajo que mide la cantidad de energía cinética inicial pero con signo contrario.

Sabemos que

Y que

Como

Por lo tanto

Sacando factor común: