momento angular

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El momento angular o momento cinético es una magnitud física importante en todas las teorías físicas de la mecánica, desde la mecánica clásica a la mecánica cuántica, pasando por la mecánica relativista. Su importancia en todas ellas se debe a que está relacionada con las simetrías rotacionales de los sistemas físicos. Bajo ciertas condiciones de simetría rotacional de los sistemas es una magnitud que se mantiene constante con el tiempo a medida que el sistema evoluciona, lo cual da lugar a una ley de conservación conocida como ley de conservación del momento angular. El momento angular para un cuerpo rígido que rota respecto a un eje, es la resistencia que ofrece dicho cuerpo a la variación de la velocidad angular. En el Sistema Internacional de Unidades el momento angular se mide en kg·m²/s. Esta magnitud desempeña respecto a las rotaciones un papel análogo al momento lineal en las traslaciones. Sin embargo, eso no implica que sea una magnitud exclusiva de las rotaciones; por ejemplo, el momento angular de una partícula que se mueve libremente con velocidad constante (en módulo y dirección) también se conserva. El nombre tradicional en español es momento cinético, 1 pero por influencia del inglés angular momentum hoy son frecuentes momento angular y otras variantes como cantidad de movimiento angular o ímpetu angular. Momento angular de una masa puntual El momento angular de una partícula con respecto al punto es el producto vectorial de su momento lineal por el vector . En mecánica newtoniana, el momento angular de una partícula o masa puntual con respecto a un punto O del espacio se define como el momento de su cantidad de movimiento con respecto a ese

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Page 1: Momento Angular

El momento angular o momento cinético es una magnitud

física importante en todas las teorías físicas de la mecánica, desde

la mecánica clásica a la mecánica cuántica, pasando por la mecánica

relativista. Su importancia en todas ellas se debe a que está

relacionada con las simetrías rotacionales de los sistemas físicos.

Bajo ciertas condiciones de simetría rotacional de los sistemas es una

magnitud que se mantiene constante con el tiempo a medida que el

sistema evoluciona, lo cual da lugar a una ley de conservación

conocida como ley de conservación del momento angular. El momento

angular para un cuerpo rígido que rota respecto a un eje, es

la resistencia que ofrece dicho cuerpo a la variación de la velocidad

angular. En el Sistema Internacional de Unidades el momento angular se

mide en kg·m²/s.

Esta magnitud desempeña respecto a las rotaciones un papel análogo

al momento lineal en las traslaciones. Sin embargo, eso no implica que

sea una magnitud exclusiva de las rotaciones; por ejemplo, el momento

angular de una partícula que se mueve libremente

con velocidad constante (en módulo y dirección) también se conserva.

El nombre tradicional en español es momento cinético,1 pero por

influencia del inglés angular momentum hoy son frecuentes momento

angular y otras variantes como cantidad de movimiento

angular o ímpetu angular.

Momento angular de una masa puntual

El momento angular de una partícula con respecto al punto  es el

producto vectorial de su momento lineal   por el vector  .

En mecánica newtoniana, el momento angular de una partícula o masa

puntual con respecto a un punto O del espacio se define como

el momento de su cantidad de movimiento   con respecto a ese

Page 2: Momento Angular

punto. Normalmente se designa mediante el símbolo  . Siendo   el

vector que une el punto O con la posición de la masa puntual, será

El vector   es perpendicular al plano que contiene   y  , en la

dirección indicada por la regla del producto vectorialo regla de

la mano derecha y su módulo o intensidad es:

esto es, el producto del módulo del momento lineal por su brazo (  

en el dibujo), definido éste como la distancia del punto respecto

al que se toma el momento a la recta que contiene la velocidad de

la partícula.

Momento angular y momento dinámico

Derivemos el momento angular con respecto al tiempo:

El primero de los paréntesis es cero ya que la derivada de   con

respecto al tiempo no es otra cosa que la velocidad   y, como el

vector velocidad es paralelo al vector cantidad de movimiento  ,

el producto vectorial es cero. En cuanto al segundo paréntesis,

tenemos:

donde   es la aceleración de la partícula, de modo que  , es

la fuerza que actúa sobre ella. Puesto que el producto vectorial

de   por la fuerza es el momento o momento dinámico aplicado a la

masa, tenemos:

Así, la derivada temporal del momento angular es igual al momento

dinámico que actúa sobre la partícula. Hay que destacar que en

esta expresión ambos momentos,   y  deberán estar referidos al

mismo punto O.

Page 3: Momento Angular

Momento angular de un conjunto de partículas puntuales

El momento angular de un conjunto de partículas es la suma de los

momentos angulares de cada una:

La variación temporal es:

El término de derecha es la suma de todos los momentos producidos

por todas las fuerzas que actúan sobre las partículas. Una parte

de esas fuerzas puede ser de origen externo al conjunto de

partículas. Otra parte puede ser fuerzas entre partículas. Pero

cada fuerza entre partículas tiene su reacción que es igual pero

de dirección opuesta y colineal. Eso quiere decir que los momentos

producidos por cada una de las fuerzas de un par acción-reacción

son iguales y de signo contrario y que su suma se anula. Es decir,

la suma de todos los momentos de origen interno es cero y no puede

hacer cambiar el valor del momento angular del conjunto. Solo

quedan los momentos externos:

El momento angular de un sistema de partículas se conserva en

ausencia de momentos externos. Esta afirmación es válida para

cualquier conjunto de partículas: desde núcleos atómicos hasta

grupos de galaxias.

Momento angular de un sólido rígido

Page 4: Momento Angular

Tenemos que en un sistema inercial la ecuación de movimiento es:

Donde:

 es la velocidad angular del sólido.

 es el tensor de inercia del cuerpo.

Ahora bien, normalmente para un sólido rígido el tensor de

inercia  , depende del tiempo y por tanto en el sistema

inercial generalmente no existe un análogo de la segunda ley

de Newton, y a menos que el cuerpo gire alrededor de uno de

los ejes principales de inercia sucede que:

Donde   es la aceleración angular del cuerpo. Por eso

resulta más útil plantear las ecuaciones de movimiento en

un sistema no inercial formado por los ejes principales de

inercia del sólido, así se logra que  , aunque

entonces es necesario contar con las fuerzas de inercia:

Que resulta ser una ecuación no lineal en la velocidad

angular.

Conservación del momento angular clásico

Cuando la suma de los momentos externos es cero  ,

hemos visto que:

Eso quiere decir que . Y como   es un

vector, es constante tanto en módulo como en

dirección.

Page 5: Momento Angular

Consideremos un objeto que puede cambiar de forma.

En una de esas formas, su Momento de inercia es   y

su velocidad angular . Si el objeto cambia de

forma (sin intervención de un momento externo) y que

la nueva distribución de masas hace que su

nuevo Momento de inercia sea  , su velocidad angular

cambiará de manera tal que:

En algunos casos el momento de inercia se puede

considerar un escalar. Entonces la dirección del

vector velocidad angular no cambiará. Solo

cambiará la velocidad de rotación.

Hay muchos fenómenos en los cuales la

conservación del momento angular tiene mucha

importancia. Por ejemplo:

En todos las artes y los deportes en los

cuales se hacen vueltas, piruetas, etc. Por

ejemplo, para hacer una pirueta, una bailarina

o una patinadora toman impulso con los brazos

y una pierna extendida para aumentar sus

momentos de inercia alrededor de la vertical.

Después, cerrando los brazos y la pierna,

disminuyen sus momentos de inercia, lo cual

aumenta la velocidad de rotación. Para

terminar la pirueta, la extensión de los

brazos y una pierna, permite disminuir la

velocidad de rotación. Sucede lo mismo con el

salto de plataforma o el trampolín. También es

importante en el ciclismo y motociclismo, ya

que la conservación del momento angular es la

responsable de la sencillez con que es posible

mantener el equilibrio.

Para controlar la orientación angular de un

satélite o sonda espacial. Como se puede

considerar que los momentos externos son cero,

Page 6: Momento Angular

el momento angular y luego, la orientación del

satélite no cambian. Para cambiar esta

orientación, un motor eléctrico hace girar

un volante de inercia. Para conservar el

momento angular, el satélite se pone a girar

en el sentido opuesto. Una vez en la buena

orientación, basta parar el volante de

inercia, lo cual para el satélite. También se

utiliza el volante de inercia para parar las

pequeñas rotaciones provocadas por los

pequeños momentos inevitables, como el

producido por el viento solar.

Algunas estrellas se contraen convirtiéndose

en púlsar (estrella de neutrones). Su diámetro

disminuye hasta unos kilómetros, su momento de

inercia disminuye y su velocidad de rotación

aumenta enormemente. Se han detectado pulsares

con periodos rotación de tan sólo unos

milisegundos.

Debido a las mareas, la Luna ejerce un momento

sobre la Tierra. Este disminuye el momento

angular de la Tierra y, debido a la

conservación del momento angular, el de la

Luna aumenta. En consecuencia, la Luna aumenta

su energía alejándose de la Tierra y

disminuyendo su velocidad de rotación (pero

aumentando su momento angular). La Luna se

aleja y los días y los meses lunares se

alargan.

Ejemplo.

Dos niños de 25 kg de masa cada uno están situados en el borde de un disco de 2.6 m de diámetro y 10 kg de masa. El disco gira

Page 7: Momento Angular

a razón de 5 rpm respecto del eje perpendicular al disco y que pasa por su centro.

¿Cuál será la velocidad angular del conjunto si cada niño se desplaza 60 cm hacia el centro del disco?.

Calcular la variación de energía cinética de rotación del sistema, y explica la causa del incremento de energía.

Conservación del momento angular

I1=1210⋅1.32+2(25⋅1.32)  ω1=5⋅2π60=π6 rad/sI2=1210⋅1.32+2(25⋅0.72)I1ω1=I2ω2  ω2=1.48 rad/s

Variación de la energía cinética

ΔE=Ek2−Ek1=12I2ω22−12I1ω21=27.2 J