Sistemas

Definición de sistemas dinámicos

Para comprender el concepto fundamental de los sistemas, primero tenemos que saber qué es un sistema. Cuando estudiamos algo en física, queremos considerar exactamente las cosas relevantes para lo que estamos estudiando e ignorar todo lo demás. Las cosas que incluimos en lo que estamos estudiando se denominan nuestro sistema. En pocas palabras,

Tratamos los objetos de nuestro sistema como si no tuvieran estructura interna. La estructura interna de los objetos no debe influir en la solución final del problema y puede ignorarse. Todo lo que no forma parte de nuestro sistema se considera el entorno.

Un sistema puede ser una persona y un automóvil, una persona y un monopatín, o incluso un aula con pupitres y sillas. Para calcular la aceleración de un sistema, podemos utilizar la segunda ley del movimiento de Newton. Las propiedades e interacciones de sus subestructuras determinan las propiedades de los sistemas. Cuando las partes individuales no son importantes para modelar el comportamiento del sistema, el propio sistema puede denominarse objeto. Según la primera ley del movimiento de Newton, sólo las fuerzas externas afectan al movimiento de un sistema. Esto se debe a que la ley dice que un objeto en reposo tiende a permanecer en reposo, y un objeto en movimiento tiende a permanecer en movimiento. Como tenemos esta distinción, hay que definir los límites de un sistema antes de comprender qué fuerzas afectan a su movimiento.

En todos los sistemas y circunstancias, la energía, la carga, el momento lineal y el momento angular se conservan, excepto en un sistema aislado o cerrado, en el que las cantidades conservadas son constantes. Llamamos "interacción" a una fuerza causada por otros objetos externos al sistema, o a la transferencia de alguna cantidad entre el sistema y su entorno. Al resolver un problema consideras la situación y tomas tu propia decisión sobre el límite entre un sistema y su entorno. La principal característica de un sistema dinámico es una función que describe qué estados futuros se derivan del estado actual.

¿Cuáles son los tipos básicos de sistemas?

Hay tres tipos de sistemas básicos: Sistemas abiertos, cerrados y aislados. A continuación trataremos algunas de las propiedades de cada uno de ellos y cómo se relacionan entre sí.

Empezamos nuestra discusión con los sistemas abiertos

Considera el siguiente diagrama de un matraz calentado. Si nuestro sistema es el vaso de precipitados, entonces tenemos energía que se añade al sistema en forma de calor, y materia que sale en forma de vapor de agua.

Modelo de un sistema abierto Wikicommons Dominio Público

Los sistemas cerrados están más restringidos que los abiertos. La energía sigue pudiendo entrar o salir del sistema, pero ahora añadimos la restricción de que la materia no puede.

Ejemplo de sistema cerrado Wikicommons, Dominio Público.

Observa que en un sistema cerrado puede haber fuerzas externas, sólo requerimos que la fuerza neta sobre nuestro sistema sea cero.

Por último, llegamos a nuestro tipo de sistema más restringido. Los sistemas aislados, en los que, como ya habrás adivinado, añadimos una restricción más: tanto la materia como la energía no pueden entrar ni salir del sistema. En la práctica, no podemos tener un sistema que no intercambie energía con su entorno, pero sigue siendo una herramienta útil para modelar algunos sistemas.

Ejemplo de sistema aislado Wikicommons Dominio Público

Un sistema aislado no interactúa con su entorno. Su energía y masa totales permanecen constantes.

Ejemplos reales de sistemas

Sistemas dinámicos

Veamos ahora qué son los sistemas dinámicos.

Ejemplos de sistemas dinámicos

Un sistema dinámico es un sistema en el que se produce movimiento, en contraposición a las condiciones estáticas sin movimiento. Los sistemas dinámicos están en constante movimiento o deben cambiar de estado para ser útiles.

Algunos ejemplos de sistemas dinámicos son:

• Automóviles
• Ordenadores
• Un péndulo oscilante
• Movimientos de los cuerpos celestes

Sistema de equilibrio dinámico

El equilibrio dinámico en un proceso reversible ocurre cuando los procesos hacia delante y hacia atrás ocurren a la misma velocidad exacta, por tanto, el equilibrio dinámico es cuando todas las fuerzas que actúan sobre un objeto están equilibradas.

Hay tres condiciones para alcanzar el equilibrio. Primero, la fuerza externa neta del sistema debe ser cero. En segundo lugar, la suma de todos los pares externos debe ser cero. Por último, podemos decir que el objeto está en equilibrio cuando se cumplen ambas condiciones simultáneamente. Si no se cumple una, el objeto no está en equilibrio.

• La ecuación es: $F\mathit{=}\mathit{0}$
• Estático significa inmóvil o estacionario
• Dinámico significa enérgico

El sistema debe mantener constante la velocidad angular y evitar la rotación acelerada para alcanzar el equilibrio.

Diferencias clave - Equilibrio estático y dinámico

Tabla de equilibrio estático vs dinámico StudySmarter Originals

Ahora que ya sabemos distinguir entre equilibrio dinámico y estático, aquí tienes ejemplos de equilibrio dinámico.

Sistemas dinámicos discretos

Por último, consideramos un tipo específico de sistema dinámico. En los sistemas dinámicos discretos, consideramos el sistema en instantáneas en el tiempo. Formalmente, decimos

Puede tratarse de pasos naturales en los que las cosas cambian en momentos concretos. El gobierno de Estados Unidos es un ejemplo de ello. Es un sistema que evoluciona en el tiempo, pero no cambia suavemente. Hay puntos concretos en el tiempo en los que se producen cambios. En este ejemplo, esos momentos son las elecciones. También podemos crear artificialmente pasos discretos. Considera un censo. Los datos de población se actualizan cada diez años. Se trata de pasos discretos, y podemos hacer predicciones y modelos basados en estos datos, pero el cambio real de la población es mucho más continuo, con personas que mueren y nacen cada día.