Inercia: qué es, principio, tipos, ejemplos
¿Qué es la inercia?
La inercia es la propiedad que tienen los sistemas físicos de mantener su estado inicial, a menos que dichos sistemas interactúen con algún agente externo que lo modifique. El concepto de inercia se aplica tanto a los sistemas mecánicos como a los sistemas termodinámicos.
En el caso de los sistemas mecánicos, su estado queda determinado por la cantidad de movimiento traslacional y la cantidad de movimiento rotacional. En los sistemas mecánicos aislados, es decir, los que están libres de interacciones con el entorno, estas cantidades se mantienen constantes.
Por su parte, el estado de un sistema termodinámico queda caracterizado principalmente por su temperatura. Mientras el sistema no interactúa con el medio externo, la temperatura del mismo permanece constante.
En ocasiones se habla del grado de inercia de un sistema físico. Este tendrá más inercia, en la medida que se requiera mayor cantidad de energía para cambiar su estado inicial en una cantidad dada.
Hay que destacar también que, tanto en los sistemas mecánicos como en los termodinámicos, el grado de inercia es directamente proporcional a la cantidad de materia del sistema, es decir su cantidad de masa.
Principio de inercia
En la mecánica clásica el principio de inercia es el enunciado de la primera de las tres leyes de Newton, las cuales fueron publicadas por primera vez en 1687 por Isaac Newton en la obra “Principios matemáticos de filosofía natural”.
El principio de inercia dice así:
Todo cuerpo mantiene su estado de reposo o su estado de movimiento uniforme rectilíneo a menos que sobre el mismo actúe una o más fuerzas no equilibradas.
Recíprocamente, si un cuerpo sale de su estado de reposo o cambia su rapidez y/o dirección, es porque sobre el cuerpo algún agente exterior está ejerciendo una o varias fuerzas.
Es conveniente además definir una cantidad llamada ímpetu o momentum de un cuerpo, que es el producto de su masa por su velocidad. Ahora bien, la interacción de un cuerpo con el entorno, se expresa matemáticamente mediante una cantidad llamada la fuerza resultante.
Si la fuerza resultante que actúa sobre un objeto no es nula, entonces el objeto cambia su momentum y la fuerza resultante es exactamente igual al cambio instantáneo de momentum por unidad de tiempo.
Como el momentum es proporcional a la masa, una misma fuerza produce mayor cambio en la velocidad de un objeto liviano que uno pesado. Entonces se dice que el primero tiene menor inercia que el segundo.
Inercia y sistemas inerciales
Para medir la velocidad y por tanto el momentum de un objeto es necesario definir un sistema de referencia respecto desde el cual se miden estas cantidades.
Se definen los sistemas inerciales como aquellos en los que un cuerpo, libre de toda interacción con su entorno, se mantiene en reposo o con velocidad constante.
El principio de inercia y las tres leyes de Newton se aplican siempre en sistemas inerciales y las fuerzas siempre provienen de interacciones reales.
En los sistemas no-inerciales aparecen interacciones ficticias, las cuales dan lugar a las pseudofuerzas o fuerzas ficticias.
Tipos de inercia
Tal como se ha dicho, en mecánica clásica, la inercia es la resistencia al cambio del estado de movimiento de un cuerpo. Sin embargo, es frecuente desglosar la inercia en los siguientes casos:
Inercia estática
Un cuerpo que está en reposo, respecto de un sistema inercial, tenderá a continuar en reposo a menos que sobre él actúe una fuerza exterior.
Entre mayor sea la masa del objeto en reposo, se requerirá de mayor fuerza para que adquiera una velocidad determinada en un tiempo dado.
Inercia dinámica
Cuando un objeto tiene velocidad constante, respecto de un sistema inercial de referencia, el mismo mantendrá su velocidad. Para que su velocidad cambie es necesario que sobre el cuerpo actúe una fuerza exterior.
En la medida que el objeto sea más masivo, se requerirá de una fuerza mayor para cambiar su velocidad original en una misma cantidad en un tiempo dado. Por eso se dice que un objeto pesado es más “inerte” que uno liviano.
Inercia traslacional
En todos los cuerpos no puntuales se distinguen dos tipos de movimiento: uno de traslación y uno de rotación.
La inercia traslacional se refiere a la fuerza externa necesaria para cambiar la velocidad de traslación en una cantidad dada y en tiempo dado. Entre mayor sea la fuerza necesaria para acelerar el objeto en una cantidad dada, entonces mayor será su inercia traslacional.
Inercia rotacional
En un cuerpo no puntual puede haber movimiento de rotación respecto de un sistema inercial. En el caso que la velocidad de traslación de dicho cuerpo sea constante o nula respecto del sistema inercial, del principio de inercia se deduce que la suma de fuerzas es nula.
Una fuerza exterior solo puede cambiar la velocidad de traslación. Para cambiar su velocidad angular de rotación es necesaria la existencia de un torque externo no nulo.
La inercia rotacional es proporcional a una cantidad física llamada “el momento de inercia”, esta cantidad es el equivalente rotacional a la “masa traslacional”. A mayor momento de inercia se requerirá de mayor torque para acelerar angularmente un cuerpo en una misma cantidad, por tanto la inercia rotacional es proporcional al momento de inercia.
Ejemplos cotidianos de inercia
En los siguientes ejemplos se ilustra el principio de inercia en situaciones cotidianas
Empujando un coche
En ocasiones nos hemos visto en la necesidad de empujar un coche que no enciende. Para vencer su estado de reposo es necesario aplicar una fuerza, la cual será mayor en la medida que el coche sea más pesado.
Frenada brusca
Cuando se produce la frenada brusca de un autobús, las personas que están de pie tienden a salir disparadas hacia el frente como si una fuerza invisible los empujara hacia delante. Para un observador externo (inercial) lo que ocurre es que las personas tienden a mantener la velocidad que traían antes que el autobús frenase.
El truco del mantel
Cuando se tira bruscamente del mantel, los platos que están sobre él tienden a mantenerse en su lugar original debido a su inercia.
La distancia de frenado
Supongamos un automóvil y un camión que originalmente tienen la misma rapidez. La distancia de frenado del auto es mucho menor que la del camión debido a que este último, por ser más pesado, tiene mayor inercia.
El truco de la carta y la moneda
Suponga una moneda sobre una carta de baraja apoyada sobre un vaso. Si se impulsa la carta bruscamente, la moneda tiende a mantener su posición original. Por esta razón la moneda termina cayendo dentro del vaso.