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Conceptos básicos de física:
movimiento, fuerzas y energía
Física: Conceptos Básicos
Física
La física es la ciencia que estudia los cambios de la materia de manera general en posición o forma únicamente.
Fenómeno Físico
Un fenómeno físico es aquel en el cual los cuerpos experimentan cambios en su posición o forma sin que se altere su estructura molecular.
Energía
La energía es el principio de actividad interna de los cuerpos que en ciertas condiciones les permite desarrollar cierta cantidad de trabajo.
Materia
La materia es una manifestación de la energía en forma de partículas, que obviamente ocupan un lugar en el espacio.
Masa
La masa se define como la cantidad de materia que posee un cuerpo. En la cinética se define como la cuantificación de inercia que posee un cuerpo; siendo la inercia la propiedad de oposición al cambio en el estado de reposo o movimiento de un cuerpo.
Cantidades Escalares y Vectoriales
Una cantidad escalar es aquella que se puede representar por medio de un número y sus respectivas unidades (5 metros, 52 kilogramos, etc.).
Una cantidad vectorial está definida por cuatro elementos: intensidad o magnitud, dirección, sentido y línea de acción.
Mecánica
Cinemática
La cinemática es la parte de la Mecánica que estudia el movimiento de los cuerpos sin importar qué es lo que causa ese movimiento.
Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU)
El MRU es un movimiento en el cual los cuerpos se desplazan en una trayectoria recta con velocidad constante, recorriendo distancias iguales en tiempos iguales.
Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado (MRUA)
El MRUA es aquel movimiento en línea recta donde la velocidad cambia con respecto al tiempo, es decir que las distancias que recorre son diferentes con respecto al tiempo.
Caída Libre
En este movimiento, los cuerpos describen una trayectoria rectilínea de arriba hacia abajo con aceleración constante e igual a la gravedad.
Tiro Vertical
En este movimiento, la velocidad de los cuerpos disminuye uniformemente conforme el cuerpo va ascendiendo, debido a que la gravedad es contraria al movimiento, lo que implica una aceleración constante pero negativa.
Movimiento de Proyectiles (Tiro Parabólico)
El tiro parabólico es un movimiento uniformemente acelerado bidimensional con aceleración igual a la gravedad, en el cual los cuerpos son disparados con una velocidad que forma un ángulo de inclinación con la horizontal, y la trayectoria descrita por los cuerpos es parabólica.
Movimiento Circular Uniforme (MCU)
El MCU se produce cuando un cuerpo se mueve en una trayectoria circular. La velocidad angular representa el cociente entre el desplazamiento angular de un cuerpo y el tiempo que tarda en efectuarlo.
Velocidad Tangencial en Movimiento Circular
Cuando un cuerpo se encuentra girando, cada una de las partículas del mismo se mueve a lo largo de la circunferencia que describe, con una velocidad lineal que será mayor a medida que aumenta el radio de la circunferencia. Esta velocidad lineal también recibe el nombre de velocidad tangencial, ya que la dirección del movimiento es siempre tangente a la circunferencia que recorre la partícula y representa la velocidad que llevaría esta si saliera disparada tangencialmente, como se muestra en la figura.
Para calcular el valor de la velocidad tangencial o lineal se usa la ecuación:
VTANGENCIAL = r·ω
Equilibrio Rotacional y Traslacional
Se dice que un cuerpo se encuentra en equilibrio si: - El cuerpo se encuentra en reposo con respecto a un marco de referencia. - El cuerpo se encuentra en movimiento rectilíneo uniforme (Equilibrio traslacional).
Un cuerpo se encuentra en equilibrio si la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre él es igual a cero, es decir:
Σ F_x = 0 Σ F_y = 0
Fuerza en un Resorte (Ley de Hooke)
Cuando se comprime o estira un resorte dentro de su límite elástico (sin que se deforme el resorte), la fuerza que ejerce es directamente proporcional a la distancia que se deforma por una constante.
F = K · X
Donde: - F = Fuerza [N, dinas, lbf] - K = Constante del resorte [N/m, dinas/ cm, lbf/ft] - X = Estiramiento [m, cm, ft]
Trabajo Mecánico
Se dice que una fuerza efectúa un trabajo cuando al actuar sobre un cuerpo este experimenta un desplazamiento. El trabajo (W) se define como el producto de la fuerza horizontal aplicada en la dirección del desplazamiento por el desplazamiento mismo.
W = F · d · cos(θ)
Donde: - W = Trabajo [Joules] - F = Fuerza [Newtons] - d = Distancia [m] - θ = Ángulo entre la fuerza y el desplazamiento
La potencia es la razón del trabajo mecánico que se realiza en la unidad de tiempo.
P = W / t P = F · v
Donde: - P = Potencia [Watts = Joule/seg] - W = Trabajo [Joule] - F = Fuerza [Newtons] - v = Velocidad [m/s]
Energía Mecánica
La energía mecánica se divide en dos tipos: energía potencial y energía cinética.
Energía Potencial
Se define como la capacidad que tiene un cuerpo de realizar un trabajo en función de la posición que ocupe con respecto a un punto o superficie de referencia.
E_p = m · g · h
Donde: - E_p = Energía potencial [Joules] - m = Masa del cuerpo [Kg] - g = Aceleración de la gravedad [9.81 m/s^2] - h = Altura o distancia al punto de referencia [m]
Energía Cinética
Se define como la capacidad que tiene un cuerpo de realizar un trabajo en función de la velocidad que lleva dicho cuerpo.
E_c = 1/2 · m · v^
Donde: - E_c = Energía cinética [Joules] - m = Masa del cuerpo [Kg] - v = Velocidad del cuerpo [m/s]
Formas en que se Manifiesta la Energía
Energía radiante: Energía producida por ondas electromagnéticas. Energía nuclear: Energía liberada en reacciones de fusión o fisión nuclear. Energía química: Energía obtenida en reacciones químicas. Energía eléctrica: Energía producida por el flujo de electrones. Energía calorífica: Energía obtenida a partir de combustibles. Energía hidráulica: Energía obtenida del movimiento del agua.
Ondas Transversales
Son aquellas en que las partículas vibran de manera perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Algunas características de las ondas transversales son:
Frecuencia (f): Número de ondas que pasan por un punto en la unidad de tiempo. Período (T): Tiempo que tarda una onda en pasar por un punto. Longitud de Onda (λ): Distancia entre dos crestas o dos valles. Amplitud de Onda (A): Máximo desplazamiento de las partículas. Velocidad de Propagación (v): Velocidad con que se mueve la onda a través de un medio.
Potencia (P) = (Voltaje (V))^2 / Resistencia (R)
Potencia (P) = (Corriente (I))^2 x Resistencia (R)
Circuitos de Resistencias
Circuitos en Serie
Todos los circuitos conectados en serie presentan las siguientes características:
Resistencia Equivalente: Al conectar dos o más resistencias en serie, se puede obtener la resistencia equivalente, que es aquella que presenta la misma oposición al paso de la corriente eléctrica que el arreglo en conjunto. La expresión matemática que permite obtener la resistencia equivalente es:
Resistencia Equivalente (RE) = R1 + R2 + R3 + ... + Rn
Voltaje: El voltaje se reparte entre cada una de las resistencias del circuito, por lo que se denomina (VE) a la diferencia de potencial entre los extremos. La expresión matemática es:
Voltaje Equivalente (VE) = V1 + V2 + V3 + ... + Vn
Corriente: La intensidad de corriente en cada resistencia es la misma en todas las resistencias.
Circuitos en Paralelo
Cuando las resistencias se conectan en paralelo, sus terminales se unen en dos bornes que se enlazan a la fuente de energía o voltaje. Esto significa que la corriente eléctrica se divide en cada una de las derivaciones del circuito. Matemáticamente, se expresa como:
1/Resistencia Equivalente (1/RE) = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 +
... + 1/Rn
Mecánica de Fluidos: Conceptos Básicos
Hidrostática y Hidrodinámica
La mecánica de fluidos se divide en dos ramas principales:
Hidrostática : Estudia el comportamiento de los líquidos en reposo. Hidrodinámica : Estudia el comportamiento de los líquidos en movimiento.
Fluidos
Se denomina fluido a las sustancias que, al someterlas a un esfuerzo cortante, fluyen en vez de presentar una deformación elástica. Tanto los líquidos como los gases se consideran fluidos.
Densidad (ρ)
La densidad se define como la masa de una sustancia entre el volumen que ocupa dicha masa. Matemáticamente se expresa como:
ρ = m/V
Peso Específico (Pe)
El peso específico se define como la relación del peso de una sustancia entre el volumen que ocupa dicha sustancia.
Pe = w/V
Donde: - w es el peso de la sustancia - V es el volumen que ocupa la sustancia
Concepto de Presión y sus Unidades
La presión indica la relación que hay entre una fuerza aplicada y el área sobre la que actúa. La fórmula para calcular la presión es:
P = F/A
Donde: - P es la presión en N/m² = Pascales - F es la fuerza perpendicular a la superficie en Newtons - A es el área o superficie sobre la que actúa la fuerza en m²
Algunas unidades de presión: - 1 bar = 0.987 Atm = 100000 Pascales = 1. Kg/cm² = 750 mmHg = 10.2 m.c.a = 14 lb/Pulg²
Principio de Pascal
Cuando un líquido se encierra herméticamente dentro de un recipiente, se puede aplicar una presión utilizando un émbolo. Dicha presión se transmitirá íntegramente a todos los puntos del líquido. Esto se debe a que los líquidos son prácticamente incomprensibles.
El principio de Pascal establece que "Toda presión que se ejerce sobre un líquido encerrado en un recipiente se transmite con la misma intensidad a todos los puntos del líquido".
Este principio puede ser comprobado utilizando una esfera hueca con agujeros en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al ejercer presión sobre el émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma presión.
