Giro (rotación) y momento angular: definición en física
Giro y momento angular: explicación clara de la rotación en física, fórmulas, unidades y ejemplos (Tierra y cuerpos rígidos) para entender cómo masa, forma y velocidad influyen.
En física, el giro suele referirse al movimiento de rotación constante alrededor de un eje, aunque en la práctica el término también se usa para rotaciones con velocidad variable. El giro describe cómo y con qué rapidez gira un objeto y es una manifestación del movimiento angular.
Para los grandes objetos visibles, como la Tierra, el giro se relaciona directamente con el momento angular de la rotación alrededor de su eje. El momento angular cuantifica la cantidad de rotación y depende de la distribución de masa del cuerpo y de su velocidad angular.
Definición y conceptos básicos
Momento angular (habitualmente denotado L) es una magnitud vectorial que para una partícula puntual se define como:
- L = r × p, donde r es el vector de posición desde el eje u origen y p es el momento lineal (p = m·v).
- Para un cuerpo rígido que rota alrededor de un eje fijado, el momento angular toma la forma L = I·ω, donde I es el momento de inercia y ω la velocidad angular.
Momento de inercia
El momento de inercia I mide cómo se distribuye la masa respecto al eje de rotación: cuanto más lejos esté la masa del eje, mayor será I. Para un sistema discreto de partículas I = Σ m_i r_i², y para un cuerpo continuo I se calcula mediante una integral. Diferentes formas geométricas tienen expresiones conocidas (por ejemplo, cilindro sólido, esfera sólida, aro delgado, etc.).
Unidades y dirección
La unidad del momento angular en el Sistema Internacional es kg·m²/s. Al ser un vector, su dirección se determina por la regla de la mano derecha: el sentido del vector L es el del pulgar cuando los dedos señalan el sentido de rotación.
Torque y conservación
El momento de fuerzas o torque τ es la tasa de cambio temporal del momento angular:
- τ = dL/dt
Si el torque neto externo sobre un sistema es cero, entonces el momento angular total se conserva (L = constante). Esta ley explica fenómenos cotidianos como por qué un patinador artístico gira más rápido al juntar los brazos (reducción de I provoca aumento de ω para conservar L) y también es fundamental en astrofísica y mecánica orbital.
Ejemplos y aplicaciones
- La Tierra: su giro diario es un ejemplo de momento angular a gran escala; la conservación del momento angular influye en procesos como la estabilización de su eje.
- Girompos y ruedas: un giroscopio muestra precesión cuando se aplica un torque, fenómeno usado en navegación y estabilización.
- Astronomía: colapso de nubes de gas en formación estelar aumenta la velocidad de rotación de la protoestrella (como cuando un patinador cierra los brazos).
Observaciones prácticas
En problemas reales conviene identificar el eje de rotación, calcular o estimar el momento de inercia del cuerpo respecto de ese eje y aplicar L = I·ω o la definición L = r × p según corresponda. Para sistemas con fuerzas externas, calcular el torque neto permite predecir cambios en L.
El espín en la teoría cuántica
Experimentos como el de Stern-Gerlach han demostrado que las partículas subatómicas, como los electrones, parecen tener un polo norte y un polo sur al igual que los imanes. Los científicos pensaban que esto se debía a que la partícula giraba sobre su eje como un planeta.
Más tarde, se demostró que el electrón tendría que estar girando más rápido que la velocidad de la luz para hacer esto. Por ello, los científicos ya no creen que el electrón gire realmente como un planeta. Sin embargo, los científicos siguen refiriéndose a las propiedades magnéticas de las partículas como "giro".
El espín, sea lo que sea, parece seguir algunas de las leyes del momento angular, pero no todas. Un electrón "giratorio" (o cualquier otra partícula subatómica con espín) sólo puede tener ciertos valores de momento angular. Los electrones también pueden alinearse contra un campo magnético de formas que serían imposibles en el mundo cotidiano.
El espín se considera una propiedad fundamental de cualquier partícula.
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