¿Qué es la Inercia Mecánica?

Vaya un caluroso y afectuoso saludo desde La Villa del Rosario (Municipio Rosario de Perijá del Estado Zulia - Venezuela) para todos mis Steemians-Lectores. Saludos para toda la comunidad de #stem-espanol y al proyecto Hive account@steemstem. Aquí de regreso, y con ánimo de seguir trabajando por esta comunidad, después de ausentarme por unos 15 días.

Mis estimados Steemians-Lectores, en post pasados les mencioné la importancia que tiene la clara comprensión de las distintas definiciones contenidas en cualquier teoría física, pues de ello depende que podamos entender, con facilidad y profundidad, toda aquella teoría donde estas definiciones estén involucradas. En el post ¿a qué se le da el nombre de Partícula en la Mecánica Clásica?, les presenté de forma clara y muy sencilla los detalles de la importantísima definición de Partícula, dejando muy claro su significado, al igual que lo hice en el post ¿qué es un Sistema de Referencia en Física?, con respecto a la igualmente importante definición de Sistema de Referencia. En el presente post trataré de darle una respuesta, clara y sencilla como tengo la costumbre de hacer, a la pregunta: ¿Qué es la Inercia Mecánica?. De aquí en adelante me referiré a la Inercia Mecánica, simplemente, como Inercia.

Atentos Steemians-Lectores, todos solemos dar por entendido algunos aspectos de nuestras vidas y de los fenómenos que ocurren en nuestro derredor, debido a su cotidianidad y a su aparente trivialidad y sencillez. Pero ¡cuidado!, es en estos aparentemente sencillos aspectos donde, en verdad, no tenemos claros sus detalles como, por ejemplo, lo referente a la definición de partícula y de sistema de referencia que antes mencioné. No sólo eso, también es en esos fenómenos en los que suelen estar escondidas interesantísimas propiedades, muchas veces, fundamentales.

Para lograr una respuesta a la pregunta establecida antes, pensemos todos en las siguientes situaciones:

Durante mi niñez mi papá solía llevarme al frigorífico de nuestro pueblo donde se fabricaban (y se fabrican actualmente) moldes de hielo de distintos tamaños. Mientras estaba allí, podía ver cómo un trabajador, para trasladar estos moldes de hielo macizo de un sitio a otro dentro del galpón de la empresa, le daba un empujón haciendo que éste se deslizara sobre el liso piso de concreto hasta las manos de otro trabajador. Notaba, como todos habríamos podido notar, que mientras más grande era el molde más esfuerzo tenía que hacer el primer trabajador para poderlo en movimiento y más esfuerzo tenía que ejercer el segundo trabajador para detenerlo.

Imaginemos, mis atentos Steemians-Lectores, que hacia nosotros se dirige un niño en un pequeño carrito de madera. Es fácil imaginar que con un pequeño esfuerzo podríamos detenerlo. Sin embargo, ¿que pasaría si intentásemos detener una enorme gandola (camión de transporte de cargas muy pesadas) que se dirige hacia nosotros?. Obviamente, no podríamos detenerla y ésta pasaría con mucha facilidad sobre nosotros.

Cuando se intenta empujar a un automóvil detenido para ponerlo en movimiento, al inicio cuesta hacerlo necesitándose varias personas para lograrlo, sin embargo, cuando se logra hacerlo es más fácil mantenerlo en movimiento pudiéndose hacer esto con menos personas. Finalmente, para detenerlo de una forma rápida igualmente se necesitan varias personas.

Amigos Steemians, todos nos hemos montado en un automóvil y hemos podido notar que cuando el mismo comienza a avanzar se siente que su motor realiza un esfuerzo para lograrlo (se escucha su sonido), sin embargo después de lograrlo el esfuerzo que realiza el motor para mantenerlo en movimiento a velocidad constante es menor (el sonido del motor cambia, siendo menos fuerte que al momento del arranque y sintiéndose como si el motor realizara menor esfuerzo). Finalmente los frenos deben ejercer un esfuerzo grande para detenerlo, siendo mayor mientras mayor sea la velocidad de desplazamiento del automóvil. Esto lo hemos podido observar, con mucha mayor claridad, cuando vemos ponerse en movimiento una enorme gandola que transporta una carga muy pesada. Para comenzar a moverse, su motor ejerce una enorme fuerza para mover todo el conjunto evidenciándose por su alto sonido y expulsión de copioso humo por sus escapes. Sin embargo, después de estar en movimiento podemos observar que el sonido disminuye de intensidad al igual que la cantidad de humo expulsado.

Atentos Steemians, hay infinidad de situaciones donde se pueden evidenciar los anteriores comportamientos respecto a los cuerpos que se les intenta modificar su estado de reposo o de movimiento, de hecho, no existe ninguno donde no lo podamos observar. Al parecer, el anterior comportamiento es una propiedad fundamental de todos los cuerpos en la naturaleza y en todo nuestro universo. El gran físico italiano Galileo Galilei, a la anterior propiedad, le dio el nombre de INERCIA:

Hay que tener presente que cuando se dice resistirse a que sea modificado su estado de movimiento, significa resistirse a que sea modificada su velocidad lo cual implica, ya que la velocidad es un vector, a que sea modificada el módulo y dirección de la misma.

Lo anterior nos dice, mis Steemians-Lectores, que si un cuerpo está en reposo, el mismo intentará mantenerse en reposo y si un cuerpo está en movimiento intentará mantenerse en movimiento, realizando un movimiento rectilíneo y uniforme. Notemos que lo anterior constituye el enunciado de la Primera Ley de Newton y es por esto que se le denomina también Ley de la Inercia. Pero, en cuanto al movimiento se refiere, ¿es eso lo que observamos en la naturaleza?. Lo que observamos es que si ponemos un cuerpo en movimiento, después de un cierto tiempo se detiene. Lo anterior ocurre debido a que existe un ente (la fuerza) que hace que se modifique ese estado. Los cuerpos que observamos en la naturaleza, al ponerlos en movimiento, se detienen después de cierto tiempo debido a su interacción con el aire que les rodea, a la fricción entre los mecanismos internos que posea y a la fricción que ofrecen las superficies sobre las cuales se desplazan. Sin embargo, mis queridos Steemians-Lectores, si no hubiese ningún tipo de resistencia entonces necesariamente concluiríamos que el cuerpo que esté en movimiento bajo estas condiciones, debería continuar en movimiento indefinidamente.

Galileo demostró la anterior hipótesis, Steemians-Lectores, mediante sus famosos experimentos con planos inclinados. Los resultados de los experimentos fueron publicados en su gran obra: Discurso y demostración matemática, en torno a dos nuevas ciencias, publicado en el año 1638 (ver figura 1). Observó que una esfera aumentaba su velocidad cuando se dejaba bajar sobre un plano inclinado (ver figura 2) mientras que disminuía su velocidad cuando se le hacía subir sobre el mismo (ver figura 3).

De lo anterior llegó a la conclusión de que al hacer rodar una esfera sobre un plano horizontal (ver figura 4) ni acelera ni desacelera. La esfera llega al reposo, finalmente, no por su “naturaleza”, sino por la fricción. Lo anterior lo respaldó mediante sus observaciones del movimiento sobre superficies más lisas: cuando había menos fricción, el movimiento de los objetos duraba más y cuanto menos fricción, el movimiento se aproximaba más a una velocidad constante, llegando a la conclusión de que en ausencia de la fricción o de otras fuerzas contrarias, un objeto en movimiento horizontal continuaría moviéndose indefinidamente.

La anterior conclusión, mis atentos Steemians, la apoyó mediante otro experimento (ver figura 5). Colocó dos de sus planos inclinados uno frente a otro. Observó que una esfera, soltada desde el reposo en la parte superior de un plano inclinado, se movía hacia abajo y después hacia arriba por la pendiente inclinada hacia arriba, hasta que casi llegaba a su altura inicial. Dedujo que sólo la fricción evitaba que subiera hasta llegar exactamente a la misma altura, porque cuanto más lisos fueran los planos, la esfera llegaría más cerca a la misma altura original. A continuación redujo el ángulo del plano inclinado hacia arriba. De nuevo, la bola subió casi hasta la misma altura, pero tuvo que ir más lejos. Con reducciones adicionales del ángulo obtuvo resultados parecidos: para alcanzar la misma altura, la esfera tenía que llegar más lejos cada vez. Entonces se preguntó: “Si tengo un plano horizontal largo ¿hasta dónde debe llegar la esfera para alcanzar la misma altura?” La respuesta obvia es “hasta el infinito: nunca llegará a su altura inicial”.

En realidad, mis Steemians-Lectores, no sabemos la razón del por qué los cuerpos son obstinados en mantener su movimiento cuando no existen fuerzas que actúen sobre ellos. Somos capaces de comprender muchas cosas y tenemos nombres y etiquetas para ellas. Hay muchas cosas que no comprendemos, y también les ponemos nombres y etiquetas. Una de esas "cosas" es el Tiempo, el cual podría ser un tema interesante para un futuro post.

La inercia la podemos observar en acción fácilmente en nuestro derredor, durante nuestra vida cotidiana:

1. Si vamos en un automóvil en movimiento y frenamos, nuestro cuerpo tiende a seguir moviéndose en el sentido en que se estaba moviendo el automóvil ya que, por la propiedad de inercia, nuestro cuerpo se resiste a cambiar su estado de movimiento que era el mismo del automóvil, es decir, se resiste a ser detenido.
2. Si igualmente vamos en un automóvil que se desplaza en línea recta y en un determinado momento toma una curva, nuestro cuerpo tiende a moverse en la dirección contraria a la misma ya que, por la propiedad de inercia, tiende a seguir moviéndose en la línea recta original del movimiento inicial del automóvil. Un fenómeno análogo lo podemos observar en el movimiento circular de una esfera amarrada a una cuerda. La esfera sigue la trayectoria circular, pero si en algún momento la cuerda se rompiese, la bola tomaría una trayectoria rectilínea en la dirección de la velocidad que tenía la bola en el instante de rotura, como se muestra en la figura 6.Figura 6: esfera que se hace mover en una trayectoria circular mediante una cuerda amarrada a la misma (De AlvaroLopez12 - Trabajo propio, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=40223455).
3. Al colocar agua dentro de una tina e intentar pornerla en movimiento en una determinada dirección, observamos que el agua se sale de la misma en la dirección contraria. Esto ocurre debido a la propiedad de inercia del agua, pues ella intenta mantener su estado de reposo original en la posición inicial de la tina.
4. Cuando lanzamos una moneda dentro de un avión que viaja a gran velocidad, se comporta como si el avión estuviera en reposo, es decir, la moneda no comienza a moverse rápidamente en la dirección contraria a la dirección del movimiento del avión. La moneda sigue con nosotros ya que la misma se mueve en conjunto con el avión, realizando su movimiento vertical.
5. Observemos la figura 7, ¿por qué un aumento lento y continuo en la fuerza hacia abajo rompe la cuerda de arriba de la pesa, pero un aumento repentino rompe la cuerda de abajo?. Si el tirón es lento y continuo, la tensión en el trozo de cuerda superior será la fuerza que ejercemos, más el peso de la pesa. Mientras que en el trozo inferior será sólo la fuerza que ejerzamos. El hilo es capaz de soportar una determinada tensión, al ser mayor la tensión del hilo superior, llegará antes a la tensión límite y se romperá. Si el tirón es brusco, y con la suficiente fuerza, llegaremos a la tensión límite muy rápidamente. Pero la piedra, en su resistencia al cambio de movimiento (inercia) se negará a cambiar tan rápidamente de velocidad. Esto hace que inicialmente, y hasta que la piedra vaya accediendo a intentar moverse, la tensión de la cuerda inferior sea mayor. Si en este momento la tensión supera la límite de rotura, entonces se rompe.Figura 7: experimento sobre la inercia usando cuerdas y una pesa. Prof. Oliver Zajkov This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International license).

Steemians, todo lo que está sobre a Tierra e incluso los gases de la atmósfera se mueven en conjunto con la misma a la gran velocidad de su rotación. Si la Tierra se detuviera en forma brusca, todos los cuerpos sobre su superficie saldrían disparados en distintas direcciones, los gases de la atmósfera formarían grandes tormentas y las aguas de los océanos, lagos y ríos se desbordarían, todo por la propiedad de inercia de todos estos cuerpos, ya que los mismos intentarían mantener su estado de movimiento que tenían inicialmente en conjunto con la Tierra. Sería un caos de enormes proporciones.

La inercia la podemos aprovechar a nuestro favor mis Steemians-Lectores. En algunas máquinas suelen utilizarse grandes cuerpos de gran masa que suelen ser cilíndricos o circulares que, al ser puestos en rotación, son capaces de mantener su movimiento debido a la inercia que origina su gran masa, sin que se necesite mucho esfuerzo externo. A estos dispositivos de les denomina Volante de Inercia (ver figuras 8 y 9). Un volante de inercia o volante motor es un elemento totalmente pasivo que únicamente aporta al sistema una inercia adicional de modo que le permite almacenar energía cinética. Este volante continúa su movimiento por inercia cuando cesa el par motor que lo propulsa.

En la vida cotidiana también podemos aprovecharnos de la inercia de los cuerpos mis atentos Steemians-Lectores. Por ejemplo, para apretar la cabeza de un martillo en su mango sólo debemos golpear este último repetidamente sobre una superficie sólida y firme. La parada repentina originada por la superficie hará que la cabeza del martillo entre más al mango del mismo, ajustándola. Esto ocurre debido a la inercia pues en el momento del golpe repentino, el mango se detiene pero la cabeza floja intenta seguir el movimiento que traía inicialmente en conjunto con el mango.

De toda la discusión anterior, mis atentos Steemians-Lectores, se determinan las siguientes importantes conclusiones:

1. La Inercia es una propiedad de todos los cuerpos físicos, que consiste en que los mismos tienen la tendencia a mantener su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme si no es perturbado por un ente externo (fuerza).
2. De acuerdo a la anterior conclusión, la inercia constituye la llamada Primera Ley de Newton o Ley de Inercia, indicando que esta ley no es original de Sir Isaac Newton. La genialidad de Newton estuvo en reunir esta propiedad con otras dos leyes (la Segunda Ley o ley de la Fuerza que es original de Newton y la Tercera Ley de Newton o Ley de acción y Reacción) para construir toda la teoría de la Mecánica Vectorial o Mecánica Newtoniana.
3. La propiedad de inercia de los cuerpos es aprovechable para mantener en movimiento determinadas maquinarias.

Para la elaboración del este post consulté 10 textos universitarios de distintos niveles en el área, los cuales muestro en la siguiente lista indicando la página consultada:

1. Kirkpatrick, L. D. & Francis, G. E. FISICA - UNA MIRADA AL MUNDO. Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., 2012. Página 35.

2. Giancoli, D. C. FISICA 1 - PRINCIPIOS CON APLICACIONES. Pearson Educación de México, S.A. de C.V., 6ta edition, 2009. Página 74.

3. Young, H. D, & Freedman, R. A. Fisica Universitaria, volume 1. Pearson Educación de México, S.A. de C.V., 2009. Página 112.

4. Tipler, P. A. & Mosca, G. . PHYSICS FOR SCIENTISTS AND ENGINEERS. W. H. Freeman and Company, 6th edition, 2008. Página 94.

5. Hewitt, P. G. FISICA CONCEPTUAL. Pearson Educación de México, S.A. de C.V., 2007. Página 22.

6. Lara B., A. & Núñez, H. FISICA I - UN ENFOQUE CONSTRUCTIVISTA. Pearson Educación de México, S.A. de C.V., 2006. Página 104.

7. Schiller., C. MOTION MOUNTAIN - THE ADVENTURE OF PHYSICS. 2006. Página 75.

8. Tippens, P. E. FISICA - CONCEPTOS Y APLICACIONES. McGrawHill/Interamericana Editores, S.A. DE C.V., 7ma edition, 2001. Página 69.

9. sBeiser, A. FISICA APLICADA. (Schaum. McGraw-Hill Interamericana de México, S. A. de C. V., 1991. Página 42.

10. Koshkin, N. & Shirkevich, M. HANDBOOK OF ELEMENTARY PHYSICS. Foreign Languajes Publishing House, Moscow, 1968. Página 25.

Mis muy estimados Steemians-Lectores y comunidad de #stem-espanol, espero que la anterior información les sea de mucha utilidad, quedándoles claro ahora lo que es La Inercia Mecánica. Como ya es costumbre, Si tienen preguntas no duden en hacérmelas llegar pues, con mucho gusto, les atenderé. Igualmente, si tienen detalles que puedan nutrir o mejorar la anterior información, por favor, háganmelas saber. Hasta mi próximo post ¡Saludos a todos! 😁.