Movimiento Circular Física

Es un fenómeno sumamente corriente en la naturaleza y en los objetos hechos por el hombre. Los planetas giran sobre sus ejes y muchos describen alrededor del Sol órbitas casi circulares; los satélites giran en tomo a los planetas, las ruedas giran sobre sus ejes y los electrones giran en tomo al núcleo del átomo, y sobre sí mismos. El movimiento circular tiene su propio conjunto de conceptos básicos –diferentes de los del movimiento lineal- y por esa razón se trata como una rama especial de la dinámica, llamada a veces dinámica rotatoria.

Conceptos fundamentales

Muchos de los términos empleados para describir el movimiento lineal (velocidad, aceleración, energía cinética y momento lineal) tienen sus homólogos en la descripción de los objetos que se mueven describiendo una circunferencia. Mucho del estudio del movimiento circular atañe al comportamiento de los cuerpos ideales en rotación. Un cuerpo rígido es uno de esos conceptos ideales y lo definiremos como un objeto de forma definida que no se deforma bajo la acción de las fuerzas que intervienen en el movimiento rotatorio (en la práctica, todos los objetos reales se deforman algo).

Cuando un cuerpo rígido gira sobre un eje fijo existente dentro de él, se puede definir su velocidad angular; exactamente como es posible definir la velocidad lineal de un objeto que se mueve en línea recta. La velocidad angular es el ángulo de rotación del objeto, dividido por el tiempo que tarda en describirlo. Ese ángulo se mide en radianes o en grados (271 radianes equivalen a 360°) y por lo mismo la velocidad angular se mide en radianes (o grados) por unidad de tiempo (rad/s o grados/s).

Un cuerpo rígido sobre el que actúa un momento de una fuerza (fuerza giratoria, equivalente rotatorio de la fuerza normal del movimiento lineal) sufre una aceleración angular; ésta se define como el coeficiente de cambio de la velocidad angular, y se mide en radianes o en grados por segundo en un segundo ( o ).

En el cálculo de la aceleración angular se emplea el equivalente de la inercia en el movimiento circular -equivalente a su vez a la masa-, con lo que podemos aplicar la segunda ley del movimiento de Newton (la fuerza es igual a la masa multiplicada por la aceleración). El equivalente rotatorio de la inercia se llama momento de inercia, pero, a diferencia de la inercia (que es la misma para todos los objetos de la misma masa), el momento de inercia depende también de la forma del objeto y de la posición de su eje de rotación. Por ejemplo, una placa cuadrada plana que gira sobre su centro tiene un momento de inercia más bajo que si girase sobre una esquina. Un cubo de la misma masa que gira sobre su centro tiene un momento de inercia más bajo que la placa que gira sobre su centro. Si aplicamos la segunda ley del movimiento de Newton al movimiento circular, tenemos que el momento de una fuerza es igual al  momento de inercia multiplicado por la aceleración angular.

La identificación del momento de inercia con el término de masa (o inercia) en las relaciones existentes en el movimiento lineal puede emplearse también al derivar ecuaciones correspondientes al momento angular y la energía cinética rotatoria. O sea que el momento angular de un objeto rotatorio es igual a su momento de inercia multiplicado por su velocidad angular, y la energía cinética rotatoria es igual al semiproducto del momento de inercia por el cuadrado de la velocidad angular.

Existen otros dos importantes conceptos con equivalentes en el movimiento lineal. El primero se refiere al trabajo efectuado por el momento de una fuerza al actuar sobre un objeto ya en rotación: el trabajo efectuado (igual al producto del momento de la fuerza por el ángulo descrito por el objeto al girar) es igual al cambio sufrido por la energía cinética rotatoria. El segundo concepto es la ley de conservación del momento angular, que afirma que si no interviene ninguna fuerza de rotación externa resultante, el momento angular total de un sistema permanece constante.

Los patinadores sobre hielo al girar en redondo demuestran la ley de conservación del momento angular. En la fotografía (abajo), la pareja se mueve en un círculo a determinada velocidad angular. Al acercar el joven a la muchacha hacia adentro su momento de inercia  disminuye y, como el  momento angular se conserva, giran a mayor velocidad (es decir, aumenta su velocidad angular)