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Tesina de la materia de Física IV
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LA FISICA Y SU IMPACTO EN LA CIENCIA Y TECNOLOGIA.
La física es una de las ciencias naturales que más ha contribuido al desarrollo y bienestar del hombre, porque gracias a su estudio e investigación ha sido posible encontrar, en múltiples casos, una explicación clara y útil de los fenómenos que se presentan en nuestra vida diaria.
La palabra Física proviene del vocablo griego phyfiké, cuyo significado es "naturaleza". La física es, ante todo, una ciencia experimental, pues sus principios y leyes se fundamentan en la experiencia adquirida al reproducir de manera intencional muchos de los fenómenos naturales. Al aplicar el método científico experimental, existe la posibilidad de encontrar respuestas concretas y satisfactorias, con el fin de comprender cada día más al mundo en que vivimos. El estudio de la física es importante para todo ser humano deseoso de conocer el medio en que vive y que quiera explicarse el porqué de los múltiples fenómenos que observa. Gran parte de los fenómenos de la naturaleza, ya sean simples o complejos, tienen una explicación en el campo de la física, por tanto, esta ciencia auxilia al hombre para adquirir un conocimiento más amplio del universo y una mejor calidad de vida.
La física es la ciencia que se encarga de estudiar los fenómenos naturales, en los cuales no existen cambios en la composición de la materia.
La física ha experimentado un gran desarrollo gracias al esfuerzo de notables investigadores y científicos, quienes al inventar y perfeccionar instrumentos, aparatos y equipos, han logrado la agudización de las percepciones del hombre, para detectar, observar y analizar fenómenos y acontecimientos presentes del universo.
Los telescopios, radiotelescopios, radares, microscopios electrónicos, aceleradores de partículas y satélites artificiales, entre otros dispositivos, son importantes aportaciones de la física a la tecnología y otras ciencias, entre las cuales se cuenta la medicina, la biología, la química, la astronomía y la geografía.
Pero ¿Qué es la Física? Para dar respuesta a qué es la física se pueden dar las siguientes definiciones, las cuales son las que se presentan con mayor frecuencia en los libros especializados en esta ciencia.
1.- La Física es la ciencia que estudia la energía, sus manifestaciones y transformaciones, y su relación con la materia.
Generalidades
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2.- La Física es la ciencia natural que trata del comportamiento y la comprensión de la materia y de sus interacciones en el nivel más fundamental.
En la última definición mencionamos a la materia. ¿Qué es la materia? Es todo cuanto existe en el Universo, algo que ocupa un lugar en el espacio, algo que podemos tocar; está constituida por partículas fundamentales como los electrones y protones.
La física es una ciencia natural que estudia las propiedades del espacio, el tiempo, la materia y la energía, así como sus interacciones.
La física no solo es una ciencia teórica, es también una ciencia experimental, como toda ciencia busca que sus conclusiones puedan ser verificadas mediante experimentos y que la teoría puede realizar predicciones de experimentos futuros. Dada la amplitud del campo de estudio de la física, así como su desarrollo histórico en relación en otras ciencias, se le puede considerar la ciencia fundamental o central, ya que incluye dentro de su campo de estudio a la química, la biología y la electrónica, además de explicar sus fenómenos.
El conocimiento actual de la física abarca la descripción de partículas fundamentales microscópicas, el nacimiento de las estrellas en el universo e incluso conocer con gran probabilidad lo que aconteció en los principales instantes del nacimiento de nuestro universo, por citar unos pocos campos.
El estudio de la física se divide teniendo en cuenta el fenómeno físico a estudiar.
METODOS DE INVESTIGACION
Método empírico-analítico.
Método experimenta
Método hipotético deductivo.
Método de la observación científica:
Método de la medición:
Método fenomenológico.
Método histórico.
Método sistémico.
Método sintético.
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Método lógico.
Método lógico deductivo:
Método lógico inductivo:
Analogía: Consiste en inferir de la semejanza de algunas características entre dos objetos, la probabilidad de que las características restantes sean también semejantes. Los razonamientos analógicos no son siempre válidos.
Desde que el hombre primitivo tuvo conciencia de sí mismo y del mundo en que vivía, comenzó a contemplar y a la vez a cuestionarse sobre los fenómenos que sucedían a su alrededor y al no saber sus causas se atemorizaba; él obtenía sus conocimientos en forma casual y desorganizada, hasta que hace cuatro siglos el italiano Galileo Galilei (1564-1642) utilizó un procedimiento para explicar los fenómenos que ocurren en la naturaleza.
Éste método que ha adoptado la ciencia para su investigación se conoce como Método Científico.
MÉTODO CIENTÍFICOEs un conjunto de procedimientos planeados, ordenados y sistematizados para comprobar o descubrir verdades.
Éste método sigue cuatro pasos que son:
1.- Observación.
2.- Hipótesis.
3.- Experimentación.
4.- Ley o Principio.
Observación consiste en fijar la atención en un fenómeno, así como en todo aquello que pudo haberlo producido y lo que puede impedir su desarrollo.
Hipótesis son suposiciones o explicaciones verdaderas o falsas después de observar un fenómeno.
Experimentación es la reproducción de los fenómenos o hechos observados con el fin de comprobar o desechar una hipótesis.
Ley o Principio se establece cuando la hipótesis de un fenómeno llega a comprobarse tanto en forma cuantitativa como cualitativa a través de la experimentación. Es decir, para un fenómeno siempre se obtienen los mismos resultados. En algunos casos, las leyes físicas obtenidas se pueden enunciar por una expresión matemática.
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Cuando no es posible comprobar una hipótesis mediante la experimentación, pero ésta sirve de base para explicar otros fenómenos sin contradecirse con alguna ley ya establecida, se presenta una teoría.
IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LA FÍSICA
El término Física proviene del vocablo griego physike que significa naturaleza. Cuando escuchamos ésta palabra vienen a nuestra mente imágenes de plantas, ríos, árboles, animales y en algunas ocasiones lo que el hombre ha transformado de ella; es decir, naturaleza es todo lo que nos rodea.
El conocimiento de la Física es esencial para comprender nuestro mundo, ya que ninguna otra ciencia ha intervenido en forma tan activa para revelarnos las causas y los efectos de los hechos naturales.
En el presente siglo se han realizado rápidos avances científicos y tecnológicos, por ejemplo en los medios de comunicación con el uso de computadoras, televisión, antena parabólica, teléfono celular, correo electrónico, etc. y en el transporte con los vuelos espaciales. Esto ha sido posible gracias a los conocimientos que se han adquiridos de todas las ciencias.
La naturaleza está formada por materia y energía en constante cambio. Un cambio en la naturaleza se conoce como fenómeno natural el cual puede ser físico o químico.
Un fenómeno físico se caracteriza porque no cambia la composición química de la materia. Por ejemplo el movimiento de los cuerpos, los cambios de estado de la materia, las tormentas con rayos y truenos, la formación de imágenes, etc.
Un fenómeno químico se caracteriza porque se producen cambios en la composición de la materia. Por ejemplo la combustión de los materiales, la fotosíntesis de las plantas, la digestión de los alimentos, etc.
La naturaleza integra el campo de estudio de la Física por lo que decimos:
FÍSICAEs la ciencia que estudia la materia, la energía y sus interrelaciones, en función del tiempo y espacio.
El objetivo de la Física es descubrir y estudiar las leyes que rigen los fenómenos físicos de la naturaleza para emplearlas en beneficio de la
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humanidad. Por excelencia se considera la ciencia del razonamiento y la medición.
LA FÍSICA Y SU RELACIÓN CON OTRAS CIENCIAS
Para entender los fenómenos que ocurren en la naturaleza, la Física se relaciona con otras ciencias, como:
Ciencia Que estudia:
Matemáticas: Química: Geología: Biología: Astronomía: Mineralogía: Meteorología: Geografía:
Los números y las figuras.La composición de la materia.La estructura y transformaciones de la Tierra.La vida y sus manifestaciones.Los cuerpos celestes.Los minerales.Los fenómenos atmosféricos.La superficie terrestre.
Su relación se establece de la siguiente manera:
Las Matemáticas permiten cuantificar los diversos fenómenos físicos que ocurren en la naturaleza.
La Química explica con leyes físicas las interacciones moleculares de la materia.
La Geología aplica leyes físicas para comprender la estructura, evolución y transformación de la Tierra.
La Biología aplica leyes físicas para explicar la vida orgánica.
La Astronomía aplica leyes de óptica para desarrollar sus observaciones.
La Mineralogía aplica la Física a las estructuras atómicas de la materia.
La Meteorología aplica conceptos de presión y temperatura.
La Geografía aplica leyes físicas en la descripción de la Tierra y los cambios en la superficie.
Por lo tanto, todas estas ciencias aplican leyes y métodos físicos lo que ha permitido su avance y desarrollo, así como también la creación de nuevos campos de estudio en las llamadas ciencias intermedias como:
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CIENCIAS INTERMEDIASFisicoquímica GeofísicaBiofísica Astrofísica
DIVISIÓN DE LA FÍSICA PARA SU ESTUDIO
La Física, para su estudio, se divide en:
Estática
Mecánica Cinemática
Dinámica
Termodinámica
Física clásica Acústica
Óptica
Electromagnetismo
Mecánica cuántica
Física Moderna Física relativista
FÍSICA CLÁSICAEstudia todos los fenómenos en donde su velocidad es muy pequeña comparada con la velocidad de la luz aproximada 300 000 km/s).
La Mecánica estudia el movimiento de los cuerpos.
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La Termodinámica estudia las interrelaciones de energía y trabajo.
La Acústica estudia las características y propiedades del sonido.
La Óptica estudia las características y propiedades de la luz.
El Electromagnetismo estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos.
FÍSICA MODERNAEstudia los fenómenos producidos a la velocidad de la luz o cercanos a ella.Puede ser Experimental o Teórica.
La Física Cuántica estudia los fenómenos que se producen en el dominio del átomo.
La Física Relativista estudia los cuerpos animados a grandes velocidades.
MAGNITUDES FISICAS Y SU MEDICION
La medición consiste en determinar el valor numérico de una cantidad física. La cantidad física es todo aquello que puede ser medido como la longitud de un acuerda, el área o superficie de un terreno, etc. La magnitud es algo cuantificable, es decir, medible, ponderable. Las magnitudes pueden ser directamente apreciables por nuestros sentidos, como los tamaños y pesos de las cosas, o más indirectas (aceleraciones, energías). En otras palabras a la magnitud de una cantidad física, se especifica con un número y una cantidad, ambos son muy necesarios ya que por sí solo carecen de sentido.
Ejemplo: 30 km, 21 cm, 3 h, 5°, 7”, etc.
Las cantidades físicas se dividen en 2 grupos: fundamentales y derivadas.
Cantidades fundamentales: Conjunto pequeño de cantidades cuyo manejo y relación permiten la descripción completa del mundo físico.
Cantidades derivadas: Se obtiene de la combinación de cantidades fundamentales mediante definiciones y formulas.
Las cantidades físicas se cuantifican en unidades de medida.
Unidad de medida: Es la medida estándar o patrón que tiene un valor fijo y reproducible para formar medidas exactas.
Medir implica realizar un experimento de cuantificación, normalmente con un instrumento especial (reloj, balanza, termómetro) dependiendo las unidades de medida.
Cuando se consigue que la cuantificación sea objetiva (no dependa del observador y todos coincidan en la medida) se llama magnitud física (tiempos,
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longitudes, masas, temperaturas, aceleraciones, energías). Hay otras magnitudes que no resultan cuantificables universalmente: gustos, sabores, colores, ruidos, texturas, aunque puede existir alguna propiedad física relacionada, como la potencia sonora con el ruido, la longitud de onda de la luz con el color, etc.
Medir es relacionar una magnitud con otra u otras (de la misma especie o no) que se consideran patrones universalmente aceptados, estableciendo una comparación de igualdad, de orden y de número. Es decir, el resultado de una medida lleva asociado tres entidades: una magnitud (dimensiones), una unidad (suele indicar también las dimensiones) y una precisión (normalmente entendida como una incertidumbre del 50% en la post-última cifra significativa).
Ejemplo: medir, dentro de cierto margen, si dos cuerpos tienen la misma masa o la misma temperatura, medir cuál de los dos cuerpos tiene más masa o más temperatura, medir cuánta más masa o más temperatura tiene uno respecto al otro. La incertidumbre es innata a la medida; puede ser disminuida pero nunca anulada.
Los patrones básicos se llaman unidades de medida. Para especificar el valor de una magnitud hay que dar la unidad de medida y el número que relaciona ambos valores. De nada sirve decir que la altura de un árbol es de 5 veces no sé qué, que decir que es de no sé cuántos metros. Aunque la relación del valor numérico con la unidad de medida es multiplicativa (5 veces un metro), la norma de escritura es separar con un espacio en blanco ambos términos. Por ejemplo, cuando se escribe L=1500 m, que se lee "ele igual a mil quinientos metros" se quiere decir que la longitud denominada L mide aproximadamente 1500 veces más que la longitud del metro patrón, que es lo mismo que decir L=1,5 km (por convenio, no se consideran cifras significativas los ceros finales, excepto si son cifras decimales), y que no tiene sentido si sólo se dice "L=1,5". Incluso si toda la Humanidad llegase a usar exclusivamente un único sistema de unidades sin múltiplos ni submúltiplos, se seguiría indicando la unidad patrón para reconocer el tipo de magnitud física involucrada.
METODOS DIRECTOS E INDIRECTOS DE MEDIDA
Método Directo
La medida o medición diremos que es directa, cuando disponemos de un instrumento de medida que la obtiene comparando la variable a medir con una de la misma naturaleza física. Así, si deseamos medir la longitud de un objeto, se puede usar un calibrador. Obsérvese que se compara la longitud del objeto con la longitud del patrón marcado en el calibrador, haciéndose la comparación distancia-distancia.
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También, se da el caso con la medición de la frecuencia de un ventilador con un estroboscopio, la medición es frecuencia del ventilador (nº de vueltas por tiempo) frente a la frecuencia del estroboscopio (nº de destellos por tiempo).
Método Indirecto
No siempre es posible realizar una medida directa, porque existen variables que no se pueden medir por comparación directa, es decir, con patrones de la misma naturaleza, o porque el valor a medir es muy grande o muy pequeño y depende de obstáculos de otra naturaleza, etc.
Medición indirecta es aquella que realizando la medición de una variable, podemos calcular otra distinta, por la que estamos interesados.
Ejemplo 1:
Se quiere medir la temperatura de un litro de agua, pero no existe un medidor de comparación directa para ello. Así que se usa una termopar, la cual, al ingresar los alambres de metal al agua, se dilatan y dicha dilatación se convierte en una diferencia de voltaje gracias a un transductor, que es función de la diferencia de temperatura. En síntesis, un instrumento de medición indirecta mide los efectos de la variable a medir en otra instancia física, cuyo cambio es análogo de alguna manera.
Ejemplo 2:
Queremos medir la altura de un edificio muy alto, dadas las dificultades de realizar la medición directamente, emplearemos un método indirecto. Colocaremos en las proximidades del edificio un objeto vertical, que sí podamos medir, así como su sombra. Mediremos también la longitud de la sombra del edificio. Dada la distancia del Sol a la tierra los rayos solares los podemos considerar paralelos, luego la relación de la sombra del objeto y su altura, es la misma que la relación entre la sombra del edificio y la suya.
Dónde:
So: Sombra del objeto SoAo
= SeAe
luego: Ae=Ao×SeSo
Ao: Altura del objeto
Se: Sombra del edificio
Ae: Altura del edificio
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SISTEMA DE UNIDADES
Un sistema de unidades es un conjunto consistente de unidades de medida. Definen un conjunto básico de unidades de medida a partir del cual se derivan el resto. Existen varios sistemas de unidades:
Sistema Internacional de Unidades o SI: es el sistema más usado. Sus unidades básicas son: el metro, el kilogramo, el segundo, el ampere, el kelvin, la candela y el mol. Las demás unidades son derivadas del Sistema Internacional.
Sistema métrico decimal: primer sistema unificado de medidas. Sistema cegesimal o CGS: denominado así porque sus unidades
básicas son el centímetro, el gramo y el segundo. Sistema Natural: en el cual las unidades se escogen de forma que
ciertas constantes físicas valgan exactamente 1. Sistema técnico de unidades: derivado del sistema métrico con unidades
del anterior. Este sistema está en desuso. Sistema Métrico Legal Argentino: Sistema de Medidas, unidades y
magnitudes que se utiliza en Argentina. Sistema anglosajón de unidades: aún utilizado en algunos países
anglosajones. Muchos de ellos lo están reemplazando por el Sistema Internacional de Unidades.
El conjunto de unidades elegidas como fundamentales y las unidades derivadas correspondientes recibe el nombre de sistema de unidades.
El sistema de unidades adopta oficialmente desde 1960 es el sistema internacional SI tiene como unidades fundamentales el metro, el kilogramo, el segundo, el amperio, el kelvin y la candela.
Las magnitudes físicas que podemos medir son muy numerosas. Si además cada observador empleara su propia unidad, haría imposible el entendimiento mutuo. Esta situación confusa es la historia de bastante tiempo de la ciencia y aún quedan restos de ellas. Trabajando en las simplificación de todo el conjunto de unidades se muestra que muy pocas se pueden hacer todas las medidas en todas las partes de la física y en general de cualquier ciencia.
El uso y la experiencia prueban que lo más conveniente en la parte de la física denominada mecánica es considerar un núcleo básica de 3 magnitudes y respecto a ellas relacionar las demás.
Se llaman magnitudes fundamentales las 3 que por convenio se adoptan como base de referencia el resto son magnitudes derivadas.
El conjunto de unidades fundamentales derivadas relacionadas entre sí de forma coherente por definiciones y convenio, forma un sistema físico de unidades.
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MAGNITUD NOMBRE DE LA UNIDAD SI BÁSICA
SÍMBOLO
Longitud Metro M
Masa Kilogramo Kg
Tiempo segundo s
SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES
El sistema internacional de unidades (abreviado SI, del francés: “Le système International d´ Unités”) también denominado Sistema Internacional de mediadas, es el nombre que recibe el sistema de unidades que se usan en casi todos los países.
La conferencia general de pesos y medidas celebrada en parís de 1960, acepto como sistema internacional que había propuesto el ingeniero electrónico italiano Giovanni Giorgi, las magnitudes fundamentales para toda la física son: longitud, masa, tiempo, intensidad de corriente, temperatura termodinámica, cantidad de sustancia e intensidad luminosa.
Todas las demás son magnitudes derivadas, es decir, se definen a partir de las fundamentales y se expresan mediante fórmulas matemáticas.
El sistema métrico decimal de la Revolución Francesa se ha convertido hoy en día en un sistema más moderno, más universal y más completo, conocido como Sistema Internacional de Unidades.
La observación de un fenómeno es en general, incompleta a menos que dé lugar a una información cuantitativa. Para obtener dicha información, se requiere la medición de una propiedad física. Así, la medición constituye una buena parte de la rutina diaria del físico experimental.
La medición es la técnica por medio de la cual asignamos un número a una propiedad física, como resultado de una comparación de dicha propiedad con otra similar tomada como patrón, la cual se ha adoptado como unidad.
Es el heredero del antiguo Sistema Métrico Decimal y es por ello por lo que también se lo conoce como «sistema métrico», especialmente en las personas de más edad y en pocas naciones donde aún no se ha implantado para uso cotidiano.
Se instauró en 1960, a partir de la Conferencia General de Pesos y Medidas, durante la cual inicialmente se reconocieron seis unidades físicas básicas. En 1971 se añadió la séptima unidad básica: el mol.
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Una de las características trascendentales, que constituye la gran ventaja del Sistema Internacional, es que sus unidades se basan en fenómenos físicos fundamentales. Excepción única es la unidad de la magnitud masa, el kilogramo, definida como «la masa del prototipo internacional del kilogramo», un cilindro de platino e iridio almacenado en una caja fuerte de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas.
Las unidades del SI constituyen referencia internacional de las indicaciones de los instrumentos de medición, a las cuales están referidas mediante una concatenación interrumpida de calibraciones o comparaciones.
Esto permite lograr equivalencia de las medidas realizadas con instrumentos similares, utilizados y calibrados en lugares distantes y, por ende, asegurar -sin necesidad de duplicación de ensayos y mediciones- el cumplimiento de las características de los productos que son objeto de transacciones en el comercio internacional, su intercambiabilidad.
UNIDADES BÁSICAS DEL SI PARA 7 MAGNITUDES FUNDAMENTALES Y 2 COMPLEMENTARIAS
MAGNITUD UNIDAD SÍMBOLOUNIDADES BASICAS
Longitud metro mMasa kilogramo KgTiempo segundo sCorriente Eléctrica ampere ATemperatura kelvin KIntensidad Luminosa
candela cd
Cantidad de sustancia
mol mol
UNIDADES COMPLEMENTARIASAngulo Plano radian radAngulo Solido estereorradián sr
SISTEMA CGS Y MKS
Objetivo diferenciar los sistemas más importantes del SI.
SISTEMA C.G.S. (centímetro, gramo, segundo).
El sistema C.G.S. llamado también sistema cegesimal, es usado particularmente en trabajos científicos. Sus unidades son sub-múltiplos del sistema M.K.S.
La unidad de longitud: Es el CENTÍMETRO, o centésima parte del metro.
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La unidad de masa: Es el GRAMO, o milésima parte del kilogramo.
La unidad de tiempo: Es el SEGUNDO. Como se puede observar vemos que el sistema C.G.S tiene las mismas magnitudes fundamentales que el SI pero sus unidades son las que cambian.
SISTEMA MKS (metro, kilogramo, segundo)
El nombre del sistema está tomado de las iniciales de sus unidades fundamentales.
La unidad de longitud del sistema M.K.S.:
METRO: Es una longitud igual a la del metro patrón que se conserva en la Oficina Internacional de pesas y medidas.
La unidad de masa es el kilogramo:
KILOGRAMO: Es una masa igual a la del kilogramo patrón que se conserva en la Oficina Internacional de pesas y medidas.
Un kilogramo (abreviado Kg.) es aproximadamente igual a la masa de un decímetro cúbico de agua destilada a 4 º C.
La unidad de tiempo de todos los sistemas de unidades es el segundo.
SEGUNDO: Se define como la 86,400 aba. Parte del día solar medio.
Los días tienen diferente duración según las épocas del año y la distancia de la Tierra al Sol. El día solar medio es el promedio de duración de cada uno de los días del año.
Este sistema sentó las bases para el sistema internacional de unidades que ahora sirve como estándar internacional.
CANTIDADES FUNDAMENTALES
SISTEMA METRICOM.K.S
C.G.S.
LONGITUD Metro (m) Centímetro (cm)MASA Kilogramo (Kg) Gramo (gr)TIEMPO Segundo (s) Segundo (s)
SISTEMA INGLES
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Objetivo; Entender la importancia que aún tiene el sistema inglés en la vida diaria.
El sistema Ingles de unidades o sistema Imperial, es aun usado en E.U. y cada vez en menor medida al igual que en algunos países con tradición británica; sus unidades fundamentales son: longitud, fuerza o peso y tiempo. Su principal inconveniente es que solo puede usarse en mecánica y termodinámica.
Existen aún en México muchos productos fabricados con especificaciones en este sistema. Ejemplos de ello son los productos de madera, tornillería, cables conductores y perfiles metálicos. Algunos instrumentos como los medidores de presión para neumáticos automotrices y otros tipos de manómetros frecuentemente emplean escalas en el sistema inglés.
El Sistema Inglés de unidades son las unidades no-métricas que se utilizan actualmente en los Estados Unidos y en muchos territorios de habla inglesa (como en el Reino Unido), pero existen discrepancias entre los sistemas de Estados Unidos e Inglaterra. Este sistema se deriva de la evolución de las unidades locales a través de los siglos, y de los intentos de estandarización en Inglaterra. Las unidades mismas tienen sus orígenes en la antigua Roma. Hoy en día, estas unidades están siendo lentamente reemplazadas por el Sistema Internacional de Unidades, aunque en Estados Unidos la inercia del antiguo sistema y el alto costo de migración ha impedido en gran medida el cambio.
CANTIDADES FUNDAMENTALES SISTEMA INGLES
LONGITUD PIE (ft)
FUERZA Ó PESO LIBRA (lb)
TIEMPO SEGUNDO (s)
NOTACION CIENTIFICA Y PREFIJOS
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OBJETIVO: Utilizar correctamente la notación científica en la solución de problemas.
En el trabajo científico es muy frecuente encontrarse con números muy grandes o muy pequeños para el uso habitual. Para resolver este problema la conferencia general de pesos y medidas adopto los prefijos desarrollados para el sistema métrico decimal al sistema métrico internacional. Estos prefijos pueden agregarse tanto a unidades fundamentales como unidades derivadas para aumentar o disminuir su cuantía. Y sirve para medir distancias muy grandes como la que hay entre el sol y la tierra o tan pequeñas como el grosor de una delgada hoja de papel.
Estos prefijos se dividen en múltiplos que son medidas mayores que el metro y submúltiplos que son medidas menores que estas.
La notación científica (notación índice estándar) es un modo conciso de anotar números enteros mediante potencias de diez, esta notación es utilizada en números demasiado grandes o demasiado pequeños.
10x10¹ = 10
10x10² = 100
10x10³ = 1, 000
10x10⁶= 1, 000, 000
10x10⁹ = 1, 000, 000, 000
10x10²° = 100, 000, 000, 000, 000, 000, 000
Adicionalmente, 10 elevado a una potencia entera negativa -n es igual a 1/10 n o, equivalentemente 0, (n-1 ceros) 1:
10x10^-1 = 1/10 = 0,1
10x10^-3 = 1/1000 = 0,001
10x10^-9 = 1/1.000.000.000 = 0,000000001
Por lo tanto un número como 156,234,000,000,000,000,000,000,000,000 puede ser escrito como 1.56234 × 10 29 , y un número pequeño como 0.0000000000234 puede ser escrito como 2.34 × 10^ -11
Ejemplo: La masa de la tierra es aproximadamente de:
6,000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 kg.
Y la masa de un electrón es de:
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0.000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 911 kg.
Para no escribir esas cifras y no ocupar tanto espacio, su notación científica seria de:
6x10^24 o lo que es igual a 60x10^23 en el ejemplo número uno.
9.11x10^31 o lo que es igual a 60x10^30 en el segundo ejemplo.
La notación científica se basa en los poderes de la base número 10.
Por lo tanto un número como 156,234,000,000,000,000,000,000,000,000 puede ser escrito como 1.56234 × 10 29 , y un número pequeño como 0.0000000000234 puede ser escrito como 2.34 × 10 -11
Ejemplos:
34, 456, 087 = 3.4456087 × 10^7
0.0004 508 421 = 4.508 421 × 10^-4
-5, 200, 000, 000 = - 5.2 × 10^9
-6.1 = -6.1 × 10^0
La parte potencia de 10 se llama a menudo orden de magnitud del número, y las cifras de a son los dígitos significativos del mismo.
Es muy fácil pasar de la notación decimal usual a la científica, y recíprocamente, porque las potencias de diez tienen las formas siguientes:
Si el exponente n es positivo, entonces 10^n es un uno seguido de n ceros:
Por ejemplo 10^12 = 1, 000, 000, 000, 000 (un billón)
Si el exponente es negativo, de la forma -n, entonces:
Por ejemplo 10^-5 = 0.00001, con cuatro ceros después de la coma decimal y cinco ceros en total.
Esta notación es muy útil para escribir números muy grandes o muy pequeños, como los que aparecen en la Física: la masa de un protón (aproximadamente 1.67×10^-27 kilogramos), la distancia a los confines observables del universo (aproximadamente 4.6×10^26 metros).
Esta escritura tiene la ventaja de ser más concisa que la usual si uno se conforma en usar pocos dígitos significativos (uno sólo para estimar una
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magnitud, dos o tres en ramas de las ciencias experimentales donde la incertidumbre supera el uno por mil y a veces el uno por ciento): 1.26×10^10 resulta más corto que 12.600.000.000, pero el primer ejemplo dado,
34, 456, 087 = 3.4456087 × 10^7 no presenta tal ventaja.
La notación científica permite hacer cálculos mentales rápidos (pero a menudo aproximados), porque permite considerar por separado los dígitos significativos y el orden de magnitud (además del signo):
Ejemplos:
Productos y divisiones:
4×10^-5 multiplicado por 3×10^-6 son:
3×4) × 10^-5-6 = 12 × 10^-11 = 1.2 × 10^-10
5×10 8 dividido por 3 × 10^5 son:
(5/3) × 10^8-5 = 1.33 × 10^3
Sumas y diferencias: sin ningún término es despreciable para con el otro, hay que reducirlos a la misma potencia de diez y luego sumar o restar:
4.1 × 10^12 + 8 × 10^10 = 4.1 × 10^12 + 0.08 × 10^12 = 4.18 × 10^12
1.6 × 10^-15 – 8.8 × 10^-16 = (16 – 8.8) × 10^-16 = 7.2 × 10^-16
MÚLTIPLOS SUBMÚLTIPLOSFactor Prefijo Símbolo Factor Prefijo Símbolo
10 Exa E 10 deci d10 Peta P 10 Centi C10 Tera T 10 Mili m10 Giga G 10 Micro µ10 Mega M 10 Nano n10 Kilo K 10 Pico p10 Hecto h 10 femto f10 Deca da 10 Atto. a
Análisis dimensional
OBJETIVO; Aplicar el análisis dimensional en el despeje de fórmulas y en la obtención correcta de unidades.
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Existen diferentes sistemas de unidades. Las cantidades físicas pueden expresarse en distintas unidades según la escala en que esté graduado el instrumento de medición.
Una distancia puede expresarse en metros, kilómetros, centímetros o píes, sin importar cuál sea la unidad empleada para medir la cantidad física distancia, pues todas ellas se refieren a una dimensión fundamental llamada longitud, representada por L.
El buen manejo de las dimensiones de las cantidades físicas en una ecuación o fórmula física, nos permite comprobar si son correctas y si se trabajaron debidamente.
Al aplicar una ecuación o fórmula física, debemos recordar dos reglas:
1.- Las dimensiones de las cantidades físicas a ambos lados del signo de igualdad, deben ser las mismas.
2.- Sólo pueden sumarse o restarse cantidades físicas de la misma dimensión.
Ejemplo:
Partiendo de las dimensiones: longitud (L), masa (M) y tiempo (t), obtendremos las ecuaciones dimensionales de algunas cantidades físicas:
• Ecuación dimensional para el área:
A = lado x lado = l. l = l 2
• Ecuación dimensional para la velocidad:
V = d / t = l / t
Si conocemos las dimensiones de una cantidad física podemos trabajar las unidades correspondientes según el sistema de unidades.
EJEMPLO
Demostrar que la fórmula
d = (V0t + at^2) / 2
Es dimensionalmente válida.
SOLUCIÓN.
Sustituyendo las cantidades físicas por sus dimensiones tenemos que:
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Por lo tanto l = l
TRANSFORMACION DE UNIDADES
Conversión de unidades lineales (elevadas a la potencia 1).
OBJETIVO:
Aprender a utilizar la conversión para resolver problemas y que sus unidades coincidan
Desde el punto de vista operacional de la Física es muy importante saber manejar la conversión de unidades, ya que en los problemas en que se presenten las magnitudes físicas, éstas deben guardar homogeneidad para poder simplificarlas cuando sea necesario, es decir, deben ser de la misma especie.
Por ejemplo, si se tienen:
8m+ 7m + 5m = 20m
Éstas se pueden sumar porque son de la misma especie, pero si se tiene:
8m + 70cm + 10mm
Éstas cantidades no se pueden sumar hasta que no se transformen a un sólo tipo de unidad.
PASOS PARA REALIZAR LA CONVERSIÓN.
1.- Escriba la cantidad que desea convertir.
2.- Defina cada una de las unidades incluidas en la cantidad que va a convertir, en términos de la unidad o las unidades buscadas.
3.- Escriba dos factores de conversión para cada definición, uno de ellos recíproco del otro.
4.- Multiplique la cantidad que desea convertir por aquellos factores que cancelen todas las unidades, excepto las buscadas.
Ejemplo 1:
Convierta 5 m^2 a cm^2
Equivalencia a usar:
1m^2 = 10,000cm^2
Se escribe la cantidad que se va a convertir y se escogen los factores de conversión que cancelan las unidades no deseadas.
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5m^2 10,000cm^2 = 50,000 cm^2
1m^2
Resultado expresado en notación científica: 5 x 10^4 cm^2
Ejemplo 2:
Convierta la velocidad de:
60 km/h a m/s
Equivalencias a usar:
1 km = 1,000 m
1 h = 3,600 s
Se escribe la cantidad que se va a convertir y se escogen los factores de conversión que cancelan las unidades no deseadas.
Ejemplo 3:
1.- 46 m a cm
2.- 1 m= 100 cm
3.- (46m¿( 100cm1m
)
4.- (46m )( 100cm1m )=46×1001=4600
1=4600cm
Si efectuar la operación a la inversa, es decir, convertir cm a m, basta invertir el factor de conversión.
25 cm a m.
1m= 100cm.
(25cm )( 1m1oocm )=25×1100
=0.25m
El factor de conversión está formado por una igualdad por lo que su valor es 1 de tal forma que la cantidad original no se afecta al ser multiplicada por dicho factor.
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Queremos pasar 2 horas a minutos:
Queremos pasar 30 cm a m:
TRASFORMACION DE UNIDADES
La conversión de una cantidad expresada en determinada unidad a su equivalente en una unidad diferente de la misma clase se basa en el hecho de multiplicar o dividir cualquier cantidad por 1 no afecta si valor.
Mediante este método las conversiones pueden ser fácilmente realizadas conociendo las cantidades equivalente.
CONVERCIONES DE UNIDADES NO LINEALES (elevadas a la potencia distinta de 1)
Para convertir unidades elevadas a potencia diferente de 1, el método de conversión es el mismo tomando en consideración lo siguiente.
1m = 100cm
(1m)²= (100cm)² (1m)³= (100cm)³
1m²=10 000cm² 1m³= 1 000 000cm³
Ejemplo:
Convertir 540m² en cm²
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1.- se utilizan las equivalencias lineales de las unidades
1m= 100cm
2.- para eliminar los metros cuadrados el factor de conversión debe involucrar m² por lo tanto se elevan las 2 cantidades equivalentes de tal manera que el factor de conversión se mantenga su valor igual a 1.
(1m)²= (100cm)²
1m²= 10 000cm²
3.- se colocan las cantidades equivalentes de manera que al efectuar la operación se cancelen los m² y solo queden cm².
(540m2 )( 10000cm2
1m2 )=(540)(10000)1
=54000001
=5 400000cm²
CONVERSIÓN DE UNIDADES COMBINADAS
Cuando se requiere convertir una cantidad física como la velocidad que implica la relación de 2 cantidades, el procedimiento es el mismo, solo se requerirá de 2 factores de conversión.
Ejemplo: Convertir 80 km/h en m/s.
1 km= 1000m factor de conversión (FC)
1h=3600s (FC₁) al revés (FC₂) normal
FC₁ FC₂
( 80Kmh )( 1000m1Km )( 1h3600 s )=(80)(1000)
(1)(3600)=80000m3600 s
=22.2m /s
Queremos pasar 120 km/h a m/s:
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cantidad
convertir en
Desarrollo Respuesta
8 kg g 8000 g
8 t kg 8000 kg
7 g kg 0,007 kg
200 m km 0,200 km
2 cm m 0,02 m
20 km m 20000 m
8 cl l 0,08 l
10 ml l 0,010 l
10 l cl 1000 cl
20 l ml 20000 ml
10 m3 dm3 10000 dm3
10 cm3 dm3 0,010 dm3
10 m3 cm3 10000000 cm3
8 dm3 m3 0,008 m3
10 cm3 m3 0,000010 m3
10 m3 l
(Litro es lo mismo que dm3)
10000 l
10 dm3 l Litro es lo mismo que dm3
10 l
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10 ml dm3 0,010 dm3
20 cm3 ml ml y cm3 son lo mismo 20 ml
200 ml m3 0,000200 m3
1,3 kg / l
kg / m3 1300 kg / m3
6 g / cm3
kg / m3 6000 kg / m3
980 g / l
kg / m3 980 kg / m3
20 km / h
m / s 5,55 m / s
20 m / s
km / h 72 km / h
20 cm / s
km / h 0,72 km / h
PRECISION DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICION DE DIFERENTES MAGNITUDES
En física, química e ingeniería, un instrumento de medición es un aparato que se usa para comparar magnitudes físicas mediante un proceso de medición. Como unidades de medida se utilizan objetos y sucesos previamente establecidos como estándares o patrones y de la medición resulta un número que es la relación entre el objeto de estudio y la unidad de referencia. Los instrumentos de medición son el medio por el que se hace esta conversión.
Características de un instrumento
Las características importantes de un instrumento de medida son: precisión, exactitud, apreciación y la sensibilidad según las siguientes definiciones:
Precisión: es la capacidad de un instrumento de dar el mismo resultado en mediciones diferentes realizadas en las mismas condiciones.
Exactitud: es la capacidad de un instrumento de medir un valor cercano al valor de la magnitud real.
Apreciación: es la medida más pequeña que es perceptible en un instrumento de medida.
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Sensibilidad: es la relación de desplazamiento entre el indicador de la medida y la medida real.
Se utilizan una gran variedad de instrumentos para llevar a cabo mediciones de las diferentes magnitudes físicas que existen. Desde objetos sencillos como reglas y cronómetros hasta microscopios electrónicos y aceleradores de partículas.
A continuación se indican algunos instrumentos de medición existentes en función de la magnitud que miden.
Para medir masa:balanzabásculaespectrómetro de masacatarómetroPara medir tiempo:calendariocronómetrorelojreloj atómicodatación radiométricaPara medir longitud:Cinta métricaRegla graduadaCalibreverniermicrómetroreloj comparadorinterferómetroodómetroPara medir ángulos:goniómetrosextantetransportador
Para medir temperatura:termómetrotermoparpirómetro
Para medir presión:barómetromanómetrotubo de PitotPara medir velocidad:velocímetroanemómetro (Para medir la velocidad del viento)tacómetro (Para medir velocidad de giro de un eje)Para medir propiedades eléctricas:
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electrómetro (mide la carga)amperímetro (mide la corriente eléctrica)galvanómetro (mide la corriente)óhmetro (mide la resistencia)voltímetro (mide la tensión)vatímetro (mide la potencia eléctrica)multímetro (mide todos los valores anteriores)puente de WheatstoneosciloscopioPara medir volúmenesPipetaProbetaBuretaMatraz aforado
Para medir otras magnitudes:Cauda alímetro (utilizado para medir caudal)ColorímetroEspectroscopioMicroscopioEspectrómetroContador geigerRadiómetro de NicholsSismógrafopH metro (mide el pH)PirheliómetroLuxómetro (mide el nivel de iluminación)Sonómetro (mide niveles de presión sonora)Dinamómetro (mide la fuerza)
La elección de un instrumento de medición depende de la precisión requerida y de las condiciones físicas que rodean la medición. La medición es el proceso que consiste en asignarle magnitud o medida física y esta puede ser directa o indirecta.
La medición directa es la comparación entre una magnitud y una cantidad establecida.
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La medición indirecta como su nombre lo dice se mide indirectamente mediante la aplicación de ciertas reglas o formulas y se calcula el valor o medida de la cantidad buscada.
Es de gran importancia la exactitud que se pueda lograr al medir sobre todo si deseamos que la medición sea de utilidad.
Con frecuencia algunos científicos miden magnitudes semejantes y comparten los resultados obtenidos. Ya que precisan conocer el grado de confiabilidad de los datos obtenidos por lo que toda medición siempre estará sujeta a cierta incertidumbre.
Algunos instrumentos de medición
Espectrómetro de masas.
La espectrometría de masas es una técnica experimental que permite la medición de iones derivados de moléculas. El espectrómetro de masas es un instrumento que permite analizar con gran precisión la composición de diferentes elementos químicos e isótopos atómicos, separando los núcleos atómicos en función de su relación masa-carga (m/z). Puede utilizarse para identificar los diferentes elementos químicos que forman un compuesto, o para determinar el contenido isotópico de diferentes elementos en un mismo compuesto. Con frecuencia se encuentra como detector de un cromatógrafo de gases, en una técnica híbrida conocida por sus iniciales en inglés, GC-MS.
Catarómetro
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Un catarómetro es un instrumento utilizado para la determinación de la composición de una mezcla de gases. Es un detector de conductividad térmica.
El equipo se compone de dos tubos paralelos que contienen el gas de las bobinas de calefacción. Los gases son examinados comparando el radio de pérdida de calor de las bobinas de calefacción en el gas. Las bobinas son dispuestas dentro de un circuito de puente que tiene resistencia a los cambios debido al desigual enfriamiento que puede ser medido. Un canal contiene normalmente una referencia del gas y la mezcla que se probará se pasa a través del otro canal.
El principio de funcionamiento se basa en la conductividad térmica de un gas, que es inversamente proporcional con su peso molecular. Puesto que varios de los componentes de las mezclas de gas tienen masa generalmente diversa es posible estimar las concentraciones relativas.
Cronómetro
La palabra cronómetro tiene un origen griego ya que está inspirada en Cronos, el dios del tiempo. Es un reloj, o una función del reloj que se utiliza para medir fracciones de tiempo, por lo general cortas y de manera muy precisa, usualmente con fines deportivos.
A principios del siglo XIX fue un relojero suizo llamado Louis Berthoud quien inventó el primer cronómetro. Él, durante su vida, se dedicó a mejorar el aparato, en especial, en perfeccionar el sistema de cuerda.
Suelen encontrarse de dos tipos, los analógicos y los digitales. Los primeros son aquellos que cuentan con manecillas para marcar la fracción temporal, los segundos son electrónicos y de mayor exactitud que los anteriores. Algunos de estos también cuentan con la función de cuenta regresiva.
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Estos instrumentos suelen ser utilizados en competencias deportivas que requieren de la medida temporal para determinar a los ganadores, o bien, las mejoras que un jugador puede tener.
Para hacerlo funcionar, lo más común es que se pulse un botón cuando se inicia la competencia o el entrenamiento y, una vez que éste concluye se vuelve a presionar el botón y el cronómetro arroja el resultado preciso del tiempo que requirió la actividad.
Una de las ventajas de este tipo de aparatos es que permite comparar los resultados obtenidos a lo largo del tiempo, ya sea en relación con uno mismo, o con otra persona debido a la acuciosidad con que mide. Todos entregan los datos con las centésimas de segundo, y algunos también pueden entregarlos con las milésimas de segundo.
El funcionamiento usual de un cronómetro, consiste en empezar a contar desde cero al pulsarse el mismo botón que lo detiene. Además habitualmente puedan medirse varios tiempos con el mismo comienzo y distinto final. Para ello se congela los sucesivos tiempos con un botón distinto, normalmente con el de reinicio, mientras sigue contando en segundo plano hasta que se pulsa el botón de comienzo.
Reloj atómico
Un reloj atómico es un tipo de reloj que para alimentar su contador utiliza una frecuencia de resonancia atómica normal. Los primeros relojes atómicos tomaban su referencia de un máser.1 Las mejores referencias atómicas de frecuencia (o relojes) modernas se basan en físicas más avanzadas, que involucran átomos fríos y fuentes atómicas. Las agencias de normas nacionales mantienen una exactitud de 10-9 segundos por día2 y una precisión igual a la frecuencia del transmisor de la radio que bombea el máser.
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Los relojes atómicos mantienen una escala de tiempo continua y estable, el Tiempo Atómico Internacional (TAI). Para uso cotidiano se difunde otra escala cronológica: el Tiempo Universal Coordinado (UTC). El UTC deriva del TAI, pero se sincroniza usando segundos de intercalación con el Tiempo Universal (UT1), el cual se basa en la transición día–noche según las observaciones astronómicas.
Nonio
El nonio o escala de vernier es una segunda escala auxiliar que tienen algunos instrumentos de medición, que permite apreciar una medición con mayor precisión al complementar las divisiones de la regla o escala principal del instrumento de medida.
El sistema consiste en una regla sobre la que se han grabado una serie de divisiones según el sistema de unidades empleado, y una corredera o carro móvil, con un fiel o punto de medida, que se mueve a lo largo de la regla.
En una escala de medida, podemos apreciar hasta su unidad de división más pequeña, siendo esta la apreciación con la que se puede dar la medición; es fácil percatarse que entre una división y la siguiente hay más medidas, que unas veces está más próxima a la primera de ellas y otras a la siguiente.
Para poder apreciar distintos valores entre dos divisiones consecutivas, se ideó una segunda escala que se denomina nonio o vernier, grabada sobre la corredera y cuyo punto cero es el fiel de referencia. El nonio o vernier es esta segunda escala, no el instrumento de medida o el tipo de medida a realizar, tanto si es una medición lineal, angular, o de otra naturaleza, y sea cual fuere la unidad de medida. Esto es, si empleamos una regla para hacer una medida, solo podemos apreciar hasta la división más pequeña de esta regla; si además
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disponemos de una segunda escala, llamada nonio o vernier, podemos distinguir valores más pequeños.
El nonio o escala vernier toma un fragmento de la regla –que en el sistema decimal es un múltiplo de diez menos uno: 9, 19, etc. Y lo divide en un número más de divisiones: 10, 20,... En la figura se toman 9 divisiones de la regla y la dividen en diez partes iguales; es el caso más sencillo, de tal modo que cada una de estas divisiones sea de 0,9 unidades de la regla. Esto hace que si la división cero del nonio coincide con la división cero de la regla, la distancia entre la primera división de la regla y la primera del nonio sea de 0,1; que entre la segunda división de la regla y la segunda del nonio haya una diferencia de 0,2; y así, sucesivamente, de forma que entre la décima división de la regla y la décima del nonio haya 1,0, es decir: la décima división del nonio coincide con la novena de la regla, según se ha dicho en la forma de construcción del nonio. Esto hace que en todos los casos en los que el punto 0 del nonio coincide con una división de la regla el punto diez del nonio también lo hace.
Odómetro
Un odómetro (del griego ὁδός hodós "camino" y μέτρον métron "medida") es un instrumento de medición que calcula la distancia total o parcial recorrida por un cuerpo (generalmente por un vehículo) en la unidad de longitud en la cual ha sido configurado (metros, millas. Su uso está generalizadamente extendido debido a la necesidad de conocer distancias, calcular tiempos de viaje, o consumo de combustible.
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Transportador
Midiendo
Los transportadores tienen normalmente dos listas de números que van en direcciones opuestas. Fíjate bien en cuál usas.
Un transportador es un instrumento de medición de ángulos en grados que viene en dos presentaciones básicas:
Transportador con forma de semicircular en sistema sexagesimal y amplitud de 180°.
Transportador con forma circular en sistema centesimal y amplitud de 400g
Transportador - Amplitud de 180° en sistema sexagesimal.
Transportador con forma semicircular graduado en 180° (grados sexagesimales) o 200g (grados centesimales). Es más común que el circular, pero tiene la limitación de que al medir ángulos cóncavos (de más de 180° y menos de 360°), se tiene que realizar una doble medición.
Transportador con forma circular graduado en 360°, o 400g.
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En Francia y en Estados Unidos se usa una división de la circunferencia en 400 grados centesimales, por lo que existen en esos países transportadores en los que se observa cada cuarto de círculo o cuadrante una división de 100 grados centesimales.
Para trazar un ángulo en grados, se sitúa el centro del transportador en el vértice del ángulo y se alinea la parte derecha del radio (semirrecta de 0º) con el lado inicial. Enseguida se marca con un lápiz el punto con la medida del ángulo deseada. Finalmente se retira el transportador y se traza con la regla desde el vértice hasta el punto previamente establecido o un poco más largo según se desee el lado terminal del ángulo.
Para medir un ángulo en grados, se alinea el lado inicial del ángulo con el radio derecho del transportador (semirrecta de 0°) y se determina, en sentido contrario al de las manecillas del reloj, la medida que tiene, prolongando en caso de ser necesario los brazos del ángulo por tener mejor visibilidad.
Termómetro
El termómetro (del griego θερμός (termo) el cuál significa "caliente" y metro, "medir") es un instrumento de medición de temperatura. Desde su invención ha evolucionado mucho, principalmente a partir del desarrollo de los termómetros electrónicos digitales.
Inicialmente cuando se fabricaron aprovechando el fenómeno de la dilatación, por lo que se prefería el uso de materiales con elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible. El metal base que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada.
El creador del primer termoscopio fue Galileo Galilei; éste podría considerarse el predecesor del termómetro. Consistía en un tubo de vidrio terminado en una esfera cerrada; el extremo abierto se sumergía boca abajo dentro de una
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mezcla de alcohol y agua, mientras la esfera quedaba en la parte superior. Al calentar el líquido, éste subía por el tubo.
La incorporación, entre 1611 y 1613, de una escala numérica al instrumento de Galileo se atribuye tanto a Francesco Sagredo como a Santoro, 2 aunque es aceptada la autoría de éste último en la aparición del termómetro.
En España se prohibió la fabricación de termómetros de mercurio en julio de 2007, por su efecto contaminante.
En América latina, los termómetros de mercurio siguen siendo ampliamente utilizados por la población. No así en hospitales y centros de salud donde por regla general se utilizan termómetros digitales.
Barómetro
Un barómetro es un instrumento que mide la presión atmosférica. La presión atmosférica es el peso por unidad de superficie ejercida por la atmósfera. Uno de los barómetros más conocidos es el de mercurio.
Unidades del barómetro
La unidad de medida de la presión atmosférica que suelen marcar los barómetros se llama Hecto pascal, de abreviación h Pa. Esta unidad significa: Hecto: cien; pascales: unidad de medida de presión.
El barómetro de mercurio, determina en muchas ocasiones la unidad de medición, la cual es denominada como "pulgadas de mercurio" o "milímetros de mercurio" (método abreviado mmHg). Una presión de 1 mmHg es 1 torr (por Torricelli).
Tipos de barómetros
Barógrafo.
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Barómetro de mercurio
Fue inventado por Torricelli en 1643. Un barómetro de mercurio está formado por un tubo de vidrio de unos 850 mm de altura, cerrado por el extremo superior y abierto por el inferior. El tubo se llena de mercurio, se invierte y se coloca el extremo abierto en un recipiente lleno del mismo líquido.1 Si entonces se destapa se verá que el mercurio del tubo desciende unos centímetros, dejando en la parte superior un espacio vacío (cámara barométrica o vacío de Torricelli).
Definido este fenómeno en la ecuación:
Así, el barómetro de mercurio indica la presión atmosférica directamente por la altura de la columna de mercurio. 2
Barómetro aneroide
Es un barómetro que no utiliza mercurio. Indica las variaciones de presión atmosférica por las deformaciones más o menos grandes que aquélla hace experimentar a una caja metálica de paredes muy elásticas en cuyo interior se ha hecho el vacío más absoluto. Se gradúa por comparación con un barómetro de mercurio pero sus indicaciones son cada vez más inexactas por causa de la variación de la elasticidad del resorte plástico. Fue inventado por Lucien Vidie en 1843.3
Altímetros Barométricos
Utilizados en aviación son esencialmente barómetros con la escala convertida a metros o pies de altitud.
Barómetro de Fortin
Detalles del barómetro de Fortin.
El barómetro de Fortin se compone de un tubo Torricelliano que se introduce en el mercurio contenido en una cubeta de vidrio en forma tubular, provista de una base de piel de gamo cuya forma puede ser modificada por medio de un tornillo que se apoya en su centro y que, oportunamente girado, lleva el nivel del mercurio del cilindro a rozar la punta de un pequeño cono de marfil. Así se mantiene un nivel fijo. El barómetro está totalmente recubierto de latón, salvo dos ranuras verticales junto al tubo que permiten ver el nivel de mercurio. En la ranura frontal hay una graduación en milímetros y un nonio para la lectura de décimas de milímetros. En la posterior hay un pequeño espejo para facilitar la visibilidad del nivel. Al barómetro va unido un termómetro.
Los barómetros Fortin se usan en laboratorios científicos para las medidas de alta precisión, y las lecturas deben ser corregidas teniendo en cuenta todos los factores que puedan influir sobre las mismas, tales como la temperatura del
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ambiente, la aceleración de gravedad de lugar, la tensión de vapor de mercurio, etc.
Velocímetro
Un velocímetro es un instrumento que mide el valor de la rapidez media de un vehículo. Debido a que el intervalo en el que mide esta rapidez es generalmente muy pequeña se aproxima mucho a la magnitud de la Velocidad instantánea, es decir la rapidez instantánea.
Los velocímetros tradicionales están controlados por un cable recubierto que es tensionado por un conjunto de pequeñas ruedas dentadas en el sistema de transmisión. Sin embargo, los primeros Volkswagen Escarabajo y las motocicletas emplean un cable torzonado por una rueda del frontal.
La forma más común de un velocímetro depende de la interacción de un pequeño imán fijado al cable con una pequeña pieza de aluminio con forma de dedal fijada al eje del indicador. A media que el imán rota cerca del dedal, los cambios en el campo magnético inducen
corriente en el dedal, que produce a su vez un nuevo campo magnético. El efecto es que el imán arrastra al dedal—así como al indicador—en la dirección de su rotación sin conexión mecánica entre ellos.
El eje del puntero es impulsado hacia el cero por un pequeño muelle. El par de torsión en el dedal se incrementa con la velocidad de la rotación del imán (que está controlada por la transmisión del vehículo). Así que un incremento de la velocidad del coche hace que el dedal rote y que el indicador gire en el sentido contrario al muelle. Cuando el par de torsión producido por las corrientes inducidas iguala al del muelle del indicador éste se detiene apuntando en la dirección adecuada, que corresponde a una cifra en la rueda indicadora.
El muelle se calibra de forma que una determinada velocidad de revolución del cable corresponde a una velocidad específica en el velocímetro. Este calibrado debe de realizarse teniendo en cuenta muchos factores, incluyendo las proporciones de las ruedas dentadas que controlan al cable flexible, la tasa del diferencial y el diámetro de los neumáticos. El mecanismo del velocímetro a menudo viene acompañado de un odómetro y de un pequeño interruptor que envía pulsos a la computadora del vehículo.
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Otra forma de velocímetro se basa en la interacción entre un reloj de precisión y un pulsador mecánico controlado por la transmisión del vehículo. El mecanismo del reloj impulsa al indicador hacia cero, mientras que el pulsador controlado por el vehículo lo empuja hacia la indicación máxima. La posición del indicador refleja la relación entre las salidas de los dos mecanismos.
Amperímetro
Un amperímetro es un instrumento que sirve para medir la intensidad de corriente que está circulando por un circuito eléctrico. Un micro amperímetro está calibrado en millonésimas de amperio y un miliamperímetro en milésimas de amperio.
Si hablamos en términos básicos, el amperímetro es un simple galvanómetro (instrumento para detectar pequeñas cantidades de corriente) con una resistencia en paralelo, llamada "resistencia shunt". Disponiendo de una gama de resistencias shunt, podemos disponer de un amperímetro con varios rangos o intervalos de medición. Los amperímetros tienen una resistencia interna muy pequeña, por debajo de 1 ohmio, con la finalidad de que su presencia no disminuya la corriente a medir cuando se conecta a un circuito eléctrico.
El aparato descrito corresponde al diseño original, ya que en la actualidad los amperímetros utilizan un conversor analógico/digital para la medida de la caída de tensión en un resistor por el que circula la corriente a medir. La lectura del conversor es leída por un microprocesador que realiza los cálculos para presentar en un display numérico el valor de la corriente eléctrica circulante.
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Galvanómetro
Un galvanómetro es una herramienta que se usa para detectar y medir la corriente eléctrica. Se trata de un transductor analógico electromecánico que produce una deformación de rotación en una aguja o puntero en respuesta a la corriente eléctrica que fluye a través de su bobina. Este término se ha ampliado para incluir los usos del mismo dispositivo en equipos de grabación, posicionamiento y servomecanismos.
Es capaz de detectar la presencia de pequeñas corrientes en un circuito cerrado, y puede ser adaptado, mediante su calibración, para medir su magnitud. Su principio de operación (bobina móvil e imán fijo) se conoce como mecanismo de D' Arsonval, en honor al científico que lo desarrolló. Este consiste en una bobina normalmente rectangular, por la cual circula la corriente que se quiere medir, esta bobina está suspendida dentro del campo magnético asociado a un imán permanente, según su eje vertical, de forma tal que el ángulo de giro de dicha bobina es proporcional a la corriente que la atraviesa. La inmensa mayoría de los instrumentos indicadores de aguja empleados en instrumentos analógicos, se basan en el principio de operación explicado, utilizándose una bobina suspendida dentro del campo asociado a un imán permanente. Los métodos de suspensión empleados varían, lo cual determina la sensibilidad del instrumento, así cuando la suspensión se logra mediante una cinta metálica tensa, puede obtenerse deflexión a plena escala con solo 2 μA, pero el instrumento resulta extremadamente frágil, mientras que el sistema de "joyas y pivotes", semejante al empleado en relojería, permite obtener un instrumento más robusto pero menos sensible que el anterior, en los cuales, típicamente se obtiene deflexión a plena escala, con 50 μA.
La escala del galvanómetro está calibrada directamente en ohmios, ya que en aplicación de la ley de Ohm, al ser el voltaje de la batería fija, la intensidad circulante a través del galvanómetro sólo va a depender del valor de la
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resistencia bajo medida, esto es, a menor resistencia mayor intensidad de corriente y viceversa.
Ohmímetro
Un óhmetro, Ohmímetro, u Ohmniómetro es un instrumento para medir la resistencia eléctrica.
El diseño de un ohmímetro se compone de una pequeña batería para aplicar un voltaje a la resistencia bajo medida, para luego, mediante un galvanómetro, medir la corriente que circula a través de la resistencia.
Existen también otros tipos de óhmetros más exactos y sofisticados, en los que la batería ha sido sustituida por un circuito que genera una corriente de intensidad constante I, la cual se hace circular a través de la resistencia R bajo prueba. Luego, mediante otro circuito se mide el voltaje V en los extremos de la resistencia. De acuerdo con la ley de Ohm el valor de R vendrá dado por:
Para medidas de alta precisión la disposición indicada anteriormente no es apropiada, por cuanto que la lectura del medidor es la suma de la resistencia de los cables de medida y la de la resistencia bajo prueba.
Para evitar este inconveniente, un óhmetro de precisión tiene cuatro terminales, denominados contactos Kelvin. Dos terminales llevan la corriente constante desde el medidor a la resistencia, mientras que los otros dos permiten la medida del voltaje directamente entre terminales de la misma, con lo que la caída de tensión en los conductores que aplican dicha corriente constante a la resistencia bajo prueba no afecta a la exactitud de la medida.
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Buretas
Las buretas son tubos cortos, graduados, de diámetro interno uniforme, provistas de un grifo de cierre o llave de paso en su parte inferior llamado robinete. Se usan para ver cantidades variables de líquidos, y por ello están graduadas con pequeñas subdivisiones (dependiendo del volumen, de décimas de mililitro o menos). Su uso principal se da en volumetrías, debido a la necesidad de medir con precisión volúmenes de líquido variables.
Los dos tipos principales de buretas son:
Buretas de Geissler, la llave es de vidrio esmerilado; se debe evitar que el líquido esté mucho tiempo en contacto con la bureta, pues determinados líquidos llegan a obstruir, e incluso inmovilizar, este tipo de llaves.
Bureta de Mohr, la llave ha sido sustituida por un tubo de goma con una bola de vidrio en su interior, que actúa como una válvula.
Espectrómetro
El espectrómetro, o espectrógrafo, es un aparato capaz de analizar el espectro característico de un movimiento ondulatorio. Se aplica a variados instrumentos que operan sobre un amplio campo de longitudes de onda.
Un espectrómetro óptico o espectroscopio, es un instrumento que sirve para medir las propiedades de la luz en una determinada porción del espectro electromagnético. La variable que se mide generalmente es la intensidad luminosa pero se puede medir también el estado de polarización electromagnética, por ejemplo. La variable independiente suele ser la longitud de onda de la luz, generalmente expresada en submúltiplos del metro, aunque alguna vez pueda ser expresada en cualquier unidad directamente proporcional a la energía del fotón, como la frecuencia o los electrón-voltios, que mantienen un relación inversa con la longitud de onda. Se utilizan espectrómetros en espectroscopia para producir líneas espectrales y medir sus longitudes de onda e intensidades.
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En general, un instrumento concreto sólo operará sobre una pequeña porción de éste campo total, debido a las diferentes técnicas necesarias para medir distintas porciones del espectro. Por debajo de las frecuencias ópticas (es decir, microondas, radiofrecuencia y audio), el analizador de espectro es un dispositivo electrónico muy parecido.
Colorímetro
Un colorímetro es cualquier herramienta que identifica el color y el matiz para una medida más objetiva del color.
El colorímetro también es un instrumento que permite medir la absorbancia de una solución en una específica frecuencia de luz a ser determinada. Es por eso, que hacen posible descubrir la concentración de un soluto conocido que sea proporcional a la absorbancia.
Diferentes sustancias químicas absorben diferentes frecuencias de luz. Los colorímetros se basan en el principio de que la absorbancia de una sustancia es proporcional a su concentración, y es por eso que las sustancias más concentradas muestran una lectura más elevada de absorbancia. Se usa un filtro en el colorímetro para elegir el color de luz que más absorberá el soluto, para maximizar la precisión de la lectura. Note que el color de luz absorbida es
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lo opuesto del color del espécimen, por lo tanto un filtro azul sería apropiado para una sustancia naranja.
Los sensores miden la cantidad de luz que atravesó la solución, comparando la cantidad entrante y la lectura de la cantidad absorbida.
Se realiza una serie de soluciones de concentraciones conocidas de la sustancia química en estudio y se mide la absorbancia para cada concentración, así se obtiene una gráfica de absorbencia respecto a concentración. Por extrapolación de la absorbencia en la gráfica se puede encontrar el valor de la concentración desconocida de la muestra.
TIPOS DE ERRROR
Al medir se obtienen valores de las magnitudes de los objetos los cuales se comparan con la unidad de patrón, todas las mediciones están sujetas a errores. La medida de una magnitud difícilmente es exacta, normalmente se cometen errores. Si necesitamos una medida muy precisa, se debe realizar la operación varias veces.
El error se define como la diferencia entre el valor real y el valor obtenido.
Los tipos de error son:
El absoluto. El relativo. El porcentual. El inherente. El de truncamiento. El de redondeo.
Pero los más importantes son los 3 primeros.
El error absoluto: Es el error total cometido en la medición.
El error relativo: Es el error cometido en cada unidad de medida.
El error porcentual: Es el error relativo expresado en forma de porcentaje.
Error de Medición: Es la diferencia entre el valor obtenido al hacer una medición y el valor verdadero.
Las causas más frecuentes del error de medición son:
Mala calibración de los instrumentos de medición. Defecto o falta de mantenimiento de los aparatos de medición. La incorrecta postura del observador al realizar la medición. Defecto visual de la persona que realiza la medición.
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Uso inadecuado del instrumento.
VECTORES
Diferencia entre las magnitudes escalares y vectoriales
Las magnitudes son atributos con los que medimos determinadas magnitudes físicas, por ejemplo, una temperatura, una longitud, una fuerza, la corriente eléctrica, etc. Encontramos dos tipos de magnitudes, las escalares y las vectoriales.
Algunas cantidades pueden describirse totalmente por un número y una unidad. Sólo importan las magnitudes en los casos de un área de 12m2, el volumen de 40FE3 o una distancia de 50km. Este tipo de cantidades se llaman cantidades escalares.
Una cantidad escalar se especifica totalmente por su magnitud que consta de un número y una unidad. Por ejemplo. Rapidez (15mi/h), distancia (12km) y volumen (200cm3).
Algunas cantidades físicas como la fuerza y la velocidad, tienen dirección y además magnitud. Por eso se les llama cantidades vectoriales.
Una cantidad vectorial se especifica totalmente por una magnitud y una dirección. Consiste en un número, una unidad y una dirección. Por ejemplo: Desplazamiento (20m, N) y velocidad (40mi/h, 30°N del O).
PROPIEDAD MAGNITUD DIRECCIÓN
SENTIDO UNIDAD
Magnitud escalarMagnitud física escalarMagnitud vectorialMagnitud física vectorial
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CARACTERÍSTICAS DE UN VECTOR
Los vectores se representan por medio de flechas. El sentido del vector está dado por medio del indicador de la flecha o punto de flecha.
Las características de un vector son las siguientes:
1) Punto de aplicación u origen.- Es el lugar en el que actúa la fuerza y está representada por el origen del vector.
2) Magnitud o módulo de vector.- Indica su valor y se representa por la longitud del vector.
3) Dirección.- Es el ángulo que determina la línea de acción del vector4) Sentido.- Nos señala hacia dónde se dirige el vector.
La dirección de un vector se indica con referencia al Norte (N), Sur (S), Este (E), y Oeste (O).
Representación gráfica de sistema de vectores
El sistema vectorial es un conjunto de vectores y se clasifican en dos grupos para su representación gráfica y son coplanares y no coplanares.
Los coplanares son aquellos cuyas líneas de acción están localizadas en un mismo plano.
Punto de aplicación
magnitud
sentido
S 270°
E 360°180° O
N 90°
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Las no coplanares son aquellas donde las líneas de acción están localizadas en distintos planos.
No coplanares
Coplanares
Estos a su vez se dividen en colineales, paralelos y concurrentes.
Los colineales son aquellos que actúan en una línea de acción en común.
Los paralelos son aquellos que tienen líneas de acción paralelos entre sí.
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Los concurrentes son aquellos líneas de acción de todos los vectores del sistema coinciden en un punto.
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MOVIMIENTO EN UNA DIMENCION
Son aquellos en las que el cuerpo solo se desplaza en una dirección. El desplazamiento o variación posicional coincide con la distancia o espacio recorrido siempre que no exista cambio de sentido en el transcurso del movimiento. Los movimientos pueden ser representados tanto mediante una ecuación como a través de una gráfica. Las gráficas que representan el movimiento son de:
Posición-tiempo, velocidad-tiempo y Aceleración-tiempo.
Dentro del sistema de referencia se tomara el eje X cuando el movimiento sea horizontal y el eje Y cuando sea vertical.
Un movimiento en una dimensión muy común y simple ocurre cuando la aceleración es constante o uniforme. Cuando la aceleración es constante, la aceleración promedio es igual a la aceleración instantánea, en consecuencia, la velocidad aumenta o disminuye de la misma forma durante todo el movimiento. Es decir, la aceleración instantánea.
1.- Un corredor corre en línea recta una distancia de 98.5 m. y lo hace en un tiempo de 20 min. Calcula la velocidad a la que iba dicho corredor.
DATOS FORMULA DESARROLLO RESPUESTAv=?d= 98.5 mt= 20 min
v¿dt
v=98.5m1200 s
v=0.0820m/s
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2.- En un partido de fútbol un jugador patea la pelota y llega a una distancia de 52 m y a una velocidad de 33.33 m/s. Calcula el tiempo que tarda en llegar a esa distancia donde cae el balón
DATOS FORMULA DESARROLLO RESPUESTAv= 33.33 m/sd= 52 mt= ?
t=dv
t¿52m
33.33m /st= 1.5601 s
CONOCIMIENTOS BÁSICOS
Movimiento.- es el cambio de posición que experimenta un cuerpo y se da en relación con un sistema de referencia.
Existen dos clases de sistemas de referencia:
El absoluto.- que considera un punto fijo como referencia.
El relativo.- considera un punto móvil de referencia.
La cinemática.- proviene del termino griego kinemato, que significa movimiento. La cinemática: es la descripción del movimiento sin tener en cuenta su causa. La cinemática proporciona el lenguaje necesario para describir cómo se mueven los objetos. Pero no dice nada de por qué lo hacen así. La cinemática se puede dar en una, dos y tres dimensiones.
El estudio de la cinemática nos permite conocer y predecir en qué lugar se encuentra un cuerpo y que velocidad tendrá después de un intervalo de tiempo.
Energía: es la facultad que posee un cuerpo para realizar un trabajo.
Termodinámica: se llama termodinámica del equilibrio, al estudio de los cambios, en los |cuales el sistema no se aparta significativamente de su estado de equilibrio. Dado que los macro estados inicial y final de un sistema están en equilibrio térmico, es posible utilizar la termodinámica del equilibrio para describir los cambios globales que tienen lugar cuando el sistema pasa de uno a otro a a través de una serie de macro estados que se apartan significativamente del equilibrio; en este caso el estudio de los procesos en si requiere la aplicación de la termodinámica del no equilibrio.
Los tipos de movimiento en base a su trayectoria son el rectilíneo, circular y para bólico.
Trayectoria.- es la línea imaginaria que describe un cuerpo en su movimiento.
La distancia es el espacio recorrido por un cuerpo, es igual a la suma de todos los segmentos que conforman la trayectoria del cuerpo.
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El desplazamiento es el espacio recorrido por un cuerpo en determinada dirección.
La rapidez es la distancia recorrida con un cuerpo con respecto al tiempo que tarda en efectuarlo.
La velocidad es el desplazamiento que realiza un cuerpo con respecto al tiempo que tarda en efectuarlo. Se denomina "velocidad" de un cuerpo en movimiento a la relación entre el espacio recorrido y el tiempo empleado. (v = e/t)
Es una medida de la variación de la posición de un cuerpo con el paso del tiempo.
Las unidades de velocidad surgen de la relación (razón o cociente) entre las unidades de espacio y las de tiempo.
Velocidad media.- si un móvil no mantiene constante su velocidad definimos la velocidad media como el coeficiente entre el espacio total recorrido y el tiempo total utilizado.
Velocidad instantánea.- es el valor de la velocidad en un determinado instante.
La velocidad angular.- es el coeficiente de entre el ángulo girado y el tiempo utilizado en el giro, su unidad para medirla es el rad/s u la rpm (revolución por minuto) mide el número de revoluciones o vueltas giradas en un minuto.
Periodo.- es el tiempo necesario para que un móvil de una vuelta completa y se mide en segundos.
Frecuencia.- es el número de vueltas que da un móvil en una unidad de tiempo, la unidad de frecuencia es la inversa del segundo, denominado hertzio (Hz).
A los movimientos que observamos normalmente no tienen una velocidad constante, se llaman movimientos variados.
Radian.- es el ángulo suspendido por el arco cuya longitud es igual al radio del círculo.
Masa.- es la medida de la cantidad de la materia o de la inercia de un cuerpo, es la magnitud de calor que tiene el mismo valor en cualquier parte.
Peso.- es la fuerza con la que dicho cuerpo es atraído verticalmente hacia el centro de la tierra debido a la aceleración de la gravedad y su valor no cambia de acurdo a la altitud o altura.
Newton.- es la unidad de fuerza o peso en el sistema internacional, es una fuerza que al ser aplicada a una masa de un kilogramo le comunicara una aceleración de 1m/s 2.
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Fuerza resultante.- Una sola fuerza cuyo efecto es igual al de un sistema de fuerzas en particular, si la tendencia de un conjunto de fuerzas es producir un movimiento, el resultado también lo produce.
Gravedad: del latín gravĭtas, la gravedad es una fuerza física que la tierra ejerce sobre todos los cuerpos hacia su centro. También se trata de la fuerza de atracción de los cuerpos en razón de su masa.
Ciencia.- es el estudio racional, sistemático y organizado de fenómenos. Tiene como objetivo el estudio de la verdad absoluta.
Estática.- es la rama de la mecánica cuyo objeto es el equilibrio de los cuerpos.
Dinámica.- es la rama de la mecánica cuyo objeto es el estudio del movimiento de los cuerpos atendiendo a las causas que lo producen y las relaciones entre estas.
Fenómeno.- es todo cambio que ocurre en la naturaleza.
Fenómeno físico.- es cualquier cambio producto de la interacción entre 2 o más entes por medio de las cuales estas se afectan mutuamente sin que ocurran cambios en la composición interna de sus componentes materiales.
Magnitud.- toda aquella propiedad que puede ser medida. Las magnitudes pueden ser escalares o vectoriales.
Tiempo.-periodo durante el que tiene lugar una acción o acontecimientos. El tiempo es una de las magnitudes fundamentales del mundo físico, igual que la longitud y la masa.
Materia.- en ciencia, materia es un término general que se aplica a todo lo que ocupa espacio y posee los atributos de gravedad e inercia, la materia es impenetrable.
Espacio.- en su sentido más general, lo que está caracterizado por la propiedad de la extensión estos pueden se unidimensional, bidimensional, tridimensional y dimensional.
Partícula.- es un punto material que representa una porción de materia es tan pequeño que se considera sin dimensión.
¿Qué es medir?
Medir es comparar con una cantidad o patrón previamente elegido.
Fuerza:
La presencia de una fuerza solamente puede apreciarse por sus efectos.
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Es la causa que puede modificar el estado de movimiento (magnitud y/o dirección) de un cuerpo.
Cuando a un cuerpo se le aplica una fuerza se modifica su estado de inercia (tendencia a conservar su estado de movimiento).
Ambas circunstancias pueden unificarse diciendo que cuando a un cuerpo se le aplica una fuerza (causa) se genera una aceleración (efecto).
1.- Un nadador olímpico empieza con una velocidad de 0m/s y a los 90 s termina con una velocidad de 15 m/s. ¿Cuál será su aceleración?
DATOS FORMULA DESARROLLO RESPUESTAvi= 0 m/svf= 15 m/st= 90 sa= ?
a¿ vf−vit a¿ 15−0
90a = 0.166 m/s 2
2.- Si un carro recorre 100 cm en 10 s ¿Cuál será su rapidez?
DATOS FORMULA DESARROLLO RESPUESTAr= ?d= 100 cmt= 10 s
r=dt r¿ 10010
r= 10 cm/s
SISTEMA DE REFERENCIA ABSOLUTO Y RELATIVO
Al hablar de un sistema de referencia simplemente se está apuntando que para observar el movimiento de un objeto es necesario tener un punto de referencia que no proporcione datos reales de distancia, desplazamiento, velocidad, aceleración, etc. Ejemplo; una persona parada observando una carrera de automóviles. Existen dos tipos de sistemas de referencia, está el sistema de referencia absoluta y el sistema de referencia relativa.
Sistema de referencia absoluta.
Se dice como sistema de referencia absoluta cuando se tiene un el punto de referencia fijo, por ejemplo, si tomamos al sol como un punto de referencia, el cual comparáramos con el movimiento de los planeta, en este ejemplo el sol se podría considerar como un sistema de referencia absoluta.
Observe la siguiente imagen para mayor comprensión.
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Sistema de referencia relativa.
En este tipo de sistema de referencia, el punto de referencia esta en movimiento, por ejemplo, una persona que camina y observa un conjunto de aves volar. En este ejemplo la persona se considera un sistema de referencia relativa.
Observe la siguiente imagen para mayor comprensión.
MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORME
Si al moverse un cuerpo no varía su velocidad y su trayectoria es una línea recta su movimiento es rectilíneo uniforme, es decir, el móvil recorre distancias iguales en tiempos iguales e intervalos de tiempo iguales a este tipo de movimiento se le conoce como movimiento rectilíneo uniforme.
De acuerdo con la ley de Newton, toda partícula permanecerá en movimiento rectilíneo uniforme (MRU) cuando no hay una fuerza neta que actúe sobre éste cuerpo.
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Esta es una situación ideal, ya que siempre existirán fuerzas que tiendan a alterar el movimiento de los cuerpos y las partículas, el movimiento es inerte a la materia, podemos decir que forma parte de la materia misma, ya que en realidad no podemos afirmar que algún objeto se encuentre en reposo total.
Un movimiento es rectilíneo cuando el cuerpo describe una trayectoria recta, y es uniforme cuando su velocidad es constante en el tiempo, dado que su aceleración es nula. Nos referimos a él mediante el acrónimo MRU.
El movimiento rectilíneo uniforme se caracteriza por El movimiento que se realiza en una sola dirección en el eje horizontal. Velocidad constante implica magnitud y dirección inalterables. La magnitud de la velocidad recibe el nombre de rapidez. La aceleración es nula.
Éste movimiento no presenta aceleración. (Aceleración =0)
Relación Matemática en el Movimiento Rectilíneo Uniforme:
El concepto de velocidad es el cambio de posición (desplazamiento con respecto al tiempo).
Formula: v=d/t, d=v*t, t=d/v
V= velocidad s= desplazamiento T= tiempo
Velocidad media (Vm) es el cambio de desplazamiento en el tiempo transcurrido y su expresión matemática o formula es:
Vm= st Vm: velocidad media (m/s, ft. /s)
S: desplazamiento (m, ft) t: tiempo (s).
Para la aplicación de la velocidad media cuando un móvil experimenta 2 o más velocidades distintas durante su recorrido.
V� =Vf +Vo2
Vf: velocidad final (m/s y ft/s).
Vo: velocidad inicial (m/s y ft/s).
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1.- Un corredor corre en línea recta una distancia de 98.5 m. y lo hace en un tiempo de 20 min. Calcula la velocidad a la que iba dicho corredor.
DATOS FORMULA DESARROLLO RESPUESTAv=?d= 98.5 mt= 20 min
v¿dt
v=98.5m1200 s
v=0.0820m/s
2.- En un partido de fútbol un jugador patea la pelota y llega a una distancia de 52 m y a una velocidad de 33.33 m/s. Calcula el tiempo que tarda en llegar a esa distancia donde cae el balón
DATOS FORMULA DESARROLLO RESPUESTAv= 33.33 m/sd= 52 mt= ?
t=dv
t¿52m
33.33m /st= 1.5601 s
Velocidad instantánea es la velocidad de una partícula en cualquier instante de tiempo o de algún punto sobre la gráfica, espacio-tiempo.
MOVIMIENTO RECTILINEO UNIFORMEMENTE ACELERADO
La aceleración es una cantidad vectorial que representa la variación de la velocidad de un cuerpo con respecto al tiempo.
α=Vf−Vot
El movimiento rectilíneo uniformemente acelerado es un tipo de movimiento frecuente en la naturaleza. Una bola que rueda por un plano inclinado o una piedra que cae en el vacío desde lo alto de un edificio son cuerpos que se
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mueven ganando velocidad con el tiempo de un modo aproximadamente uniforme, es decir, con una aceleración constante.
En este tipo de movimiento sobre la partícula u objeto actúa una fuerza que puede ser externa o interna. En este movimiento la velocidad es variable nunca permanece constante, lo que sí es constante es la aceleración.
Este es el significado del movimiento uniformemente acelerado, el cual en tiempos iguales adquiere iguales incrementos de rapidez. En otras palabras, un móvil tiene un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado si su trayectoria es una recta y se mueve con una aceleración constante y positiva durante el recorrido. Algunas de las características del MRUA son:
El móvil cambia de posición al variar el tiempo. Su trayectoria es una línea recta. Su velocidad varía con el tiempo. Su aceleración es uniforme.
Para calcular velocidad final tomando en cuenta su velocidad inicial y la aceleración del móvil al cabo de cierto tiempo se emplea la siguiente formula:
Vf=Vo+(ɑ·t )
El signo de la aceleración será el mismo que tenga la variación de la velocidad por lo tanto la aceleración será positiva cuando:
a) La velocidad es de signo positivo y experimenta un aumento.b) La velocidad es de signo negativo y sufre una disminución, es decir, un
frenado.
La aceleración será negativa cuando:
a) La velocidad es de signo negativo y tiene un aumento.b) La velocidad es de signo positivo y disminuye, es decir, experimenta un
frenado.Si la velocidad aumenta la aceleración es positiva y si la velocidad disminuye la aceleración es negativa.
El movimiento rectilíneo uniformemente acelerado es cuando un cuerpo se desplaza en línea recta y experimenta cambios de velocidades iguales en cada unidad de tiempo.
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FORMULAS PARA M.R.U.A. ECUACIONES GENERALES
Vf=Vo+a ∙t
S=(Vf+Vo2 ) tVf ²=Vo ²+2a·s
S=Vo⋅ t+ 12a ⋅ t 2
a=Vf ²+Vo ²2 s
Vf ²=Vo ²+2a
S=Vf ²−Vo ²2a
Vf=a⋅ t
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S=12Vf ⋅ t
Vf ²=2a·t
S=12a ⋅ t ²
Determina la velocidad en m/s de un automóvil cuyo desplazamiento es de 20km al este en un tiempo de 4min.
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
V=m/s¿?S=20km=20000mt=4min=240s
V= St
V=20000240 V=83.33 m/s.
En un juego de golf una pelota viaja con una rapidez de 0.80 m/s si la pelota llega al hoyo después de 4s de haber sido golpeada ¿a qué distancia se encontraba del hoyo?
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
V=0.80m/st=4s
s= ¿?
S=V ∙ t S=0.80 ∙4 S=3.2 m.
Un motociclista lleva una velocidad de 2.5 m/s al sur, a las 4s su velocidad es de 7 m/s determinar:
a) su aceleración
b) su desplazamiento en ese tiempo
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO
UNIDADES
Vo=2.5 m/sVf=7 m/st=4sɑ=¿?S=¿?
a=Vf−Vot
S=Vo⋅ t+ 12a ⋅ t 2
a=7−2.54
S=2.5
⋅ 4+ 121.125 ⋅42
ɑ=1.125S=19
m/s²m
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Determina la rapidez que lleva un ciclista a los 6s, si al bajar por una pendiente adquiere una aceleración de 1.5m/s² y parte con una rapidez inicial de 4 m/s².
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
ɑ=1.5m/s²Vo=4m/s²t=6s
Vf=Vo+a ∙t Vf=4+1.5 ·6 Vf=13 m/s
Un automóvil parte del reposo y aumenta su velocidad a 40km/h en 7s si su aceleración es constante:
a) Cuál será su aceleraciónb) Que distancia recorrió en ese tiempo
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
Vo=0m/s²ɑ=40mk/hɑ=40000m/st=7sS= ¿?
S=Vo⋅ t+ 12a ⋅ t 2 S=0 ⋅7+ 1
240000 ⋅72 S=140007 m
Un automóvil se desplaza a una velocidad de 80 m/s aplicando una aceleración durante 20s llega a una velocidad final de 140 m/s ¿cuál fue su aceleración?
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
Vo= 80m/st= 20sVf= 140m/sa=?
a=Vf−Vot
a=140−8020 ɑ=3 m/s²
Un automóvil se desplaza a una velocidad de 80 m/s aplicando una aceleración durante 20s llega a una velocidad final de 140 m/s ¿cuál fue su desplazamiento?
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
Vo= 80m/st= 20sVf= 140m/sa=?vy =?s=?
S=(Vf+Vo2 ) tS=( 140+802 )20 S=110 m
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Un automóvil se desplaza a una velocidad de 80 m/s aplicando una aceleración durante 20s llega a una velocidad final de 140 m/s ¿cuál fue su velocidad promedio?
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
t= 20ss=110mvy =¿?
v� =s /tv� =11020 v̅�=5.5 m/s.
Cuál es el desplazamiento de un autobús de carga si su velocidad era de 62m/s en un tiempo de 50s.
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
V=62 m/St=50ss= ¿?
S=V ∙ t S=(62)(50) S=3,100 m.
Un automóvil se desplaza a una velocidad de 7m/s y aplica una celebración durante 8s, hasta aumentar su velocidad a 13m/s ¿Cuál es su aceleración?
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO
UNIDADES
Vo=7 m/sɑ=¿?t= 8sVf= 13m/s
a=Vf−Vot
a=13−78
ɑ=0.75 m/s²
CAÍDA LIBRE
Se denomina caída libre al movimiento de caída de los cuerpos bajo la acción de su peso, si consideramos despreciable la resistencia del aire. Todos los
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cuerpos caen, en ausencia de razonamiento con el aire, con la misma aceleración independientemente de su masa. A esta aceleración se denomina aceleración de la gravedad (g) y su valor promedio es de 9.81 m/s2 ó 32 ft/s2.
La caída libre es un ejemplo de M.R.U.A, sin velocidad inicial. Si el movimiento considerado es de caída libre, el valor de la g (gravedad) resulta positivo como corresponde a una autentica aceleración. Si, por lo contrario, es de ascenso en vertical el valor de g se considera negativo, pues se trata, en tal caso de un movimiento de desaceleración.
TIRO VERTICALEste movimiento se presenta cuando un cuerpo se lanza verticalmente hacia arriba observándose que su velocidad disminuye por efecto de la gravedad hasta anularse al alcanzar su altura máxima obteniendo una velocidad final igual a cero y por lo tanto su ecuación tendrá un valor de aceleración negativo g= -9.81 m/s2 ó -32 ft/s2.
En ambos casos se toman en cuenta las velocidades iniciales y las distancias, pero no intervienen el peso o la masa para calcular la altura o el tiempo.
Debido a que trabajamos con sistemas coordenados, utilizamos la misma fórmula para el tiro vertical que para la caída libre (que además son las mismas fórmulas que utilizamos para todo MRUV).
Fórmulas de caída libre:
h=vo·t+ g · t ²2
h=Vf ²−Vo ²2 g
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h=(Vf +Vo2 ) tVf=Vo+g ∙ t
Vf ²=Vo ²+2g·hFórmulas de tiro vertical:
Vf ²=Vo ²+2g·h
hmax=−Vo ²2g
Vf=Vo+g ∙h
ts=−Vog
t t=−2Vog
Una pelota se lanza verticalmente hacia arriba con una velocidad de 58.8 m/s encontrar la altura que tuvo en 1s
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
Vo=58.8m/st=1sg=-9.8m/s²h= ¿?
h=vo·t+ g · t ²2
h=58.8 ·1+−9.8 ·1²
2
h=53.9 m
Una pelota se lanza verticalmente hacia arriba con una velocidad de 58.8 m/s encontrar la altura Max. Qué alcanzara.
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO
UNIDADES
Vo=58.8m/st=1sg=-9.8m/s²hmax= ¿?
hmax=−Vo ²2g
hmax= −58.8²2(−9.8)
hmax=176.4 m
Una pelota se lanza verticalmente hacia arriba con una velocidad de 58.8 m/s encontrar el tiempo que tarda en subir.
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
Vo=58.8m/sg=-9.8m/s²ts= ¿?
ts=−Vog
ts=−58.8−9.8
Ts=6 s
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En el análisis de este movimiento empleamos la siguiente conversión de signos:
Los desplazamientos o alturas medidos arriba del origen del lanzamiento son (+).
Los desplazamientos o alturas medidos abajo del origen del lanzamiento son (-).
La velocidad hacia abajo en cualquier punto de su trayectoria rectilínea es (-).
La velocidad hacia arriba en cualquier punto de su trayectoria rectilínea es (+).
La magnitud de la aceleración de la gravedad es siempre (-) suba o baje el cuerpo.
MOVIMIENTO EN 2 DIMENSIONES
Cuando pateas un balón, el balón hace un movimiento en dos dimensiones llamado tiro parabólico.
Se le llama en 2 dimensiones, porque la posición de la partícula en cada instante, se puede representar por 2 coordenadas respecto a unos ejes de referencia.
El movimiento en 2 dimensiones es cuando la partícula se mueve tanto horizontal como verticalmente, es decir, se mueve en 2 ejes de referencia.
Las variantes a las que está sometida la partícula son dos y por eso se le denomina movimiento en dos dimensiones.
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El movimiento en dos dimensiones se caracteriza por dos movimientos uno ascendente, y otro descendente, como caso particular, un objeto o móvil.
MOVIMIENTOS EN DOS DIMENSIONES
Desde lo alto de un acantilado de 5 m de alto se lanza horizontalmente una piedra con velocidad inicial de 20 m/s. ¿A qué distancia horizontal de la base del acantilado choca la piedra?
Calcular las componentes rectangulares de la velocidad inicial
En el lanzamiento horizontal la velocidad inicial vertical (Voy) es igual a cero, por lo que:
Vx = 20 m/s
Voy = 0
Anotar los datos para X y para Y. Recuerde que las velocidades y los desplazamientos
Para “X” Para “Y”
Vx = 20 m/s
t =
X =
Voy = 0
g= -9.81 m/s2
Y = -5 m
Selección de las ecuaciones a utilizar
Recuerde que “X” que es la distancia horizontal que recorre un proyectil y para calcularla es necesario saber el valor de t (tiempo). Observe que en “Y ” tiene datos suficientes para calcular “t”.
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Resolver la ecuación considerando que Voy = 0, por lo que el primer término se anula.
Y= gt^2 / 2
Resolviendo para “t “:
t = 1.009637 s
Calculo de “ t “ :
Paso5: Calcular “X “utilizando la ecuación:
Recuerde que “X” que es la distancia horizontal que recorre un proyectil y para calcularla es necesario saber el valor de t (tiempo). Observe que en “Y” tiene datos suficientes para calcular “t”.
Resolviendo para “X “: X=Vx (t)
X = (20 m/s) (1.09637s)
X = 20 m
TIROS PARABÓLICOS HORIZONTALES Y OBLICUOS
Existen dos tipos de tiro parabólico, está el tiro parabólico horizontal y el tiro parabólico oblicuo, el primero de ellos es identificado por la forma peculiar en que se comporta el movimiento del cuerpo ya que al lanzar el objeto de forma horizontal al vacío, la trayectoria es de ésta manera ya que el cuerpo lanzado es influenciado por dos movimientos, uno de ellos es el movimiento horizontal con una velocidad constante y el otro es de forma vertical.
Se caracteriza por la trayectoria o camino curvo que sigue un cuerpo al ser lanzado, resultado de dos movimientos independientes: un movimiento
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horizontal con velocidad constante y otro vertical, el cual comienza con una velocidad inicial que va disminuyendo hasta llegar a la altura máxima, y luego comienza a aumentar hasta llegar al mismo nivel de partida.
Éste tipo de movimiento parabólico tiene componentes rectangulares de la velocidad resultante (Vr) de un cuerpo que sigue una trayectoria parabólica horizontal. Se observa como la velocidad horizontal (VH) permanece constante, mientras la velocidad vertical (Vv) aumenta durante su caída libre por acción de la gravedad de la Tierra.
El tiro parabólico oblicuo se caracteriza porque cuando se lanza un objeto, éste forma un ángulo con el eje horizontal, ejemplo, cuando se lanza una bola de cañón, al llegar la bala al objeto, ésta requiere de cierto ángulo.
El tiro parabólico oblicuo es un ejemplo de movimiento realizado por un cuerpo en dos dimensiones o sobre un plano. Algunos ejemplos de cuerpos cuya trayectoria corresponde a un tiro parabólico son: proyectiles lanzados desde la superficie de la Tierra o desde un avión, el de una pelota de fútbol al ser despejada por el arquero, el de una pelota de golf al ser lanzada con cierto ángulo respecto al eje horizontal.
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MOVIMIENTO CIRCULAR UNIFORME Y MOVIMIENTO CIRCULAR UNIFORMEMENTE ACELERADO
La primera ley de Newton dice que todos los cuerpos que se muevan en línea recta con rapidez constante mantendrán su velocidad a menos que actúe sobre ellos una fuerza externa. La velocidad de un cuerpo es una cantidad vectorial definida por su rapidez y su dirección de. Igual que se requiere una fuerza resultante para cambiar su rapidez hay que aplicar una fuerza resultante para cambiar su dirección. Siempre que sea fuerza actúa una dirección diferente del original del movimiento,
ocasiona un cambio en la trayectoria de la partícula movimiento.
El movimiento circular un informe es un movimiento en aquel de rapidez no cambia, sólo hay un cambio en la dirección.
A veces el movimiento circular no es completo: cuando un coche o cualquier otro vehículo toma una curva realiza un movimiento circular, aunque nunca gira los 360º de la circunferencia.
Se patea un balón de fútbol con un ángulo de 37° con una velocidad de 20 m/s. Calcule:
a) La altura máxima.
b) El tiempo que permanece en el aire.
c) La distancia a la que llega al suelo.
d) La velocidad en X y Y del proyectil después de 1 seg de haber sido disparado
Teniendo los datos
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Ángulo = 37°a) Y máx. = ?
d) Vx =?
Vo = 20m/s b) t total = ? Vy = ?
g= -9.8 m/s^2 c) X =?
Vox = Vo Cos a = 20 m/s Cos 37° = 15.97 m/s
Voy = Vo Se n a = 20 m/s Sen 37° = 12.03 m/s
Calcular el tiempo de altura máxima, donde Voy = 0
Por lo tanto: t = (V fy - Voy) / g = (0 - 12.03 m/s) / 9.8 = 1.22.seg.
Calcular a) la altura máxima:
Y max = Voy t + gt^2 / 2= 12.03 m/s (1.22s) + (( -9.8m/s^2 )(1.22s)^2) / 2 = 7.38m
Calcular b) el tiempo total. En este caso solo se multiplica el tiempo de altura máxima por 2, porque sabemos que la trayectoria en este caso es simétrica y tarda el doble de tiempo en caer el proyectil de lo que tarda en alcanzar la altura máxima.
T total = t max. (2) = 1.22s (2) = 2.44 s.
Calcular el alcance máximo, para lo cual usaremos esta fórmula:
X = Vx t total = 15.97 m/s (2.44s) = 38.96 m.
Paso 6
V fy = g·t + Voy = (- 9.8) (1seg.) + 12.03 m/s = 2.23 m/s
V fx = 15.97 m/s, ya que esta es constante durante todo el movimiento.
La experiencia nos dice que todo aquello da vueltas tiene movimiento circular. Si lo que gira da siempre el mismo número de vueltas por segundo, decimos que posee movimiento circular uniforme (MCU).
Ejemplos de cosas que se mueven con movimiento circular uniforme hay muchos:
La tierra es uno de ellos. Siempre da una vuelta sobre su eje cada 24 horas. También gira alrededor del sol y da una vuelta cada 365 días. Un ventilador, una lavadora o los viejos tocadiscos, la rueda de un auto que viaja con velocidad constante, son otros tantos ejemplos.
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Este movimiento se presenta cuando un móvil con una trayectoria circular que aumenta o disminuye en cada unidad de tiempo su velocidad angular en forma constante, por lo que su aceleración o angular permanece constante.
El movimiento circular uniforme se presenta cuando un móvil con trayectoria circular aumenta o disminuye en cada unidad de tiempo su velocidad angular en forma constante, por lo que su aceleración angular permanece constante.
La velocidad angular instantánea representa el desplazamiento angular efectuado por un móvil en un tiempo muy pequeño que tiende a cero.
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LEYES DE NEWTON
OBJETIVO:
El alumno identificara las leyes de newton y aplicara sus conocimientos teóricos a la solución de problemas y a la vida cotidiana.
Las Leyes de Newton son muy importantes pues nos permiten comprender, explicar y predecir muchos fenómenos naturales que relacionan fuerzas y movimiento de los cuerpos que se mueven a velocidades relativamente pequeñas. Todos los movimientos que ocurren en la Tierra y el Universo, pueden ser explicados con estas Leyes. Por tanto, están relacionadas con lo que sucede en nuestro entorno y tienen aplicación práctica en la vida diaria, en las ciencias naturales, en la ingeniería, en la técnica, etc.
Las Leyes de Newton, también conocidas como Leyes del movimiento de Newton, son tres principios a partir de los cuales se explican la mayor parte de los problemas planteados por la mecánica, en particular aquellos relativos al movimiento de los cuerpos. Revolucionaron los conceptos básicos de la física y el movimiento de los cuerpos en el universo, en tanto que constituyen los cimientos no sólo de la dinámica clásica sino también de la física clásica en general.
En concreto, la relevancia de estas leyes radica en dos aspectos:
Por un lado, constituyen, junto con la transformación de Galileo, la base de la mecánica clásica.
Por el otro, al combinar estas leyes con la Ley de la gravitación universal, se pueden deducir y explicar las Leyes de Kepler sobre el movimiento planetario.
Así, las Leyes de Newton permiten explicar tanto el movimiento de los astros, como los movimientos de los proyectiles artificiales creados por el ser humano, así como toda la mecánica de funcionamiento de las máquinas.
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Tomando como base las experiencias de Galileo Galilei, Newton enuncio sus famosas leyes del movimiento.
El efecto de las fuerzas sobre el movimiento se rige por las leyes o principios de la dinámica enunciados por Newton. Estas leyes no tienen demostración y simplemente son una comprobación de lo que se ha observado en la naturaleza. Si a un cuerpo se le aplican simultáneamente varias fuerzas el movimiento es producido por la fuerza resultante.
La fuerza resultante ocasiona:
Que el objeto empiece a moverse o se mueva más rápido. Que el objeto disminuya su velocidad o se detenga. Que cambie la dirección del objeto en movimiento. Que cambie la forma del objeto.
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Concepto de fuerza
Fuerza es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los cuerpos materiales. No debe confundirse con los conceptos de esfuerzo o energía. En el sistema internacional de unidades, la fuerza se mide en Newtons (N).
La fuerza es una magnitud física de carácter vectorial capaz de deformar los cuerpos (efecto elástico), modificar su velocidad o vencer su inercia y ponerlos en movimiento si estaban inmóviles (efecto dinámico). En este sentido la fuerza puede definirse como toda acción o influencia capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo (imprimiéndole una aceleración que modifica el modulo o la dirección de su velocidad) o bien deformarlo.
Comúnmente nos referimos a la fuerza aplicada sobre un objeto sin tener en cuenta al otro objeto u objetos con los que esta interactuando y que experimentaran, a su vez, otras fuerzas. Actualmente, cabe definir la fuerza como un ente físico-matemático, de carácter vectorial, asociado con la interacción del cuerpo con otros cuerpos que constituyen su entorno.
¿Qué es fuerza?
llamamos fuerza a las causas capaces de producir alguna modificación en un cuerpo.
Cuando los cuerpos interactúan es ejerciendo fuerzas entre sí.
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Toda fuerza puede producir estos efectos:
Cambio en el movimiento de un cuerpo. Deformación de un cuerpo.
Las fuerzas internas son similares a las fuerzas de contacto entre ambos cuerpos y si bien tienen una forma más complicada, ya que no existe una superficie macroscópica a través de la cual se den la superficie. La complicación se traduce por ejemplo en que las fuerzas internas necesitan ser modelizadas mediante un tensor de tensiones en que la fuerza por unidad de superficie que experimenta un punto del interior depende de la dirección a lo largo de la cual se consideren las fuerzas.
Lo anterior se refiere a los sólidos, en los fluidos en reposo las fuerzas internas dependen esencialmente de la presión, y en los fluidos en movimiento la viscosidad puede desempeñar un papel.
Cuando se aprieta una pelota
Cuando se estira un resorte y este aumenta su longitud.
Cuando se patea una lata bacía y esta se abolla.
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Cerrar una puerta.
Tirar a un animal con una cuerda.
Empujar una mesa.
Todas las fuerzas se presentan con vectores. Un vector es un segmento orientado que tiene:
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La fuerza se mide con el dinamómetro.
Las unidades que se utilizan para medir una fuerza son el Newton (N) o el Kilogramo fuerza (Kg f).
Las fuerzas pueden ser:
Fuerzas a distancia. Fuerzas de contacto.
Fuerzas a distancia.- Son aquellas que surgen de la interacción de dos cuerpos que no están en contacto.
Ejemplos:
Fuerza de atracción gravitatoria(peso) Fuerza de atracción entre imanes (magnéticas) Fuerza de atracción entre cargas (eléctricas)
Fuerzas de contacto.- son aquellas que surgen de la interacción de los cuerpos que están en contacto.
Ejemplos:
Tensión Normal Razonamiento Empuje
PRIMERA LEY DE NEWTON
OBJETIVO: Demostrara mediante ejemplos su comprensión de la primera ley de newton sobre el movimiento.
Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él.
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En consecuensia, un cuerpo con movimiento rectilineo uniforme implica que no existe ninguna fuerza esterna neta o dicho de otra forma, un objeto en movimiento no se detiene de forma natural si no se aplica una fuerza sobre el. En el caso de los cuerpos en reposo, se entiende que su velocidad es cero, por lo que sie stas cambia es porque sobre ese cuerpo se ha ejercido una fuerza neta.
La primera ley dice: si un cuerpo está en reposo, continuara en reposo y, si está en movimiento rectilíneo uniforme continuara moviéndose con este movimiento siempre que no actúen fuerzas sobre él. El primer aspecto de este enunciado está ampliamente demostrado y comprobado por la experiencia de todos: si a un cuerpo en reposo no se le aplica ninguna fuerza no se moverá. El segundo aspecto que a un cuerpo en movimiento debe seguir moviéndose con velocidad constante si ninguna fuerza se opone.
La primera ley de newton también se le conoce como principio de inercia. Podemos definir la inercia como la propiedad de los cuerpos a oponerse a todo cambio de su estado de reposo o de movimiento.
Ejemplo: si viajas en una bicicleta y esta frena, la inercia de tu cuerpo hará que vallas hacia adelante, ya que tiende a seguir en movimiento. La inercia depende de la masa; un objeto con gran masa tiene mucha inercia.
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Concepto: Todo cuerpo permanece en su estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme a menos que se le aplique una fuerza no equilibrada.
La botella se encuentra en reposo sobre una mesa en medio tiene un papel, al alar el papel con fuerza la botella sigue estando en reposo sobre la mesa.
SEGUNDA LEY DE NEWTON
OBJETIVO: El alumno será capaz de construir un diagrama de cuerpo libre que represente todas las fuerzas que actúan sobre un objeto que se encuentra en equilibrio trasnacional.
Con la introducción de un nuevo concepto de masa Newton estableció la relación entre fuerza y aceleración. La masa es una característica de un cuerpo y no cambia, si esta se deforma o se desplaza, a esta propiedad Newton la llamo: cantidad de materia.
Si la velocidad de un móvil cambia es porque una fuerza está actuando sobre él. La experiencia comprueba que para un mismo cuerpo hay una proporción
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constante entre fuerzas y aceleraciones: Si aplicamos sucesivamente a un cuerpo de masa m varias fuerzas F, 2F. Si se aplica la fuerza F el cuerpo se moverá con una aceleración a, si la fuerza es 2F, la aceleración será 2a y si existiera una fuerza 3F le correspondería una aceleración 3 a. . . El valor de esta constante es precisamente la masa de un cuerpo m y es un característica del cuerpo.
El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impreza y ocurre según la linea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime.
Esta ley explica que ocurre si sobre un cuerpo en movimiento (cuya masa no tiene porque ser constante) actua una fuerza neta: la fuerza modificara el estado de movimiento cambiando la velocidad o en el modulo o direccion. En concreto los cambios experimentados en la cantidad de movimiento de un cuerpo son proporcionales a la fuerza motriz y se desarrollan en la direccion de esta; esto es, las fuerzas son causas que producen aceleraciones en los cuerpos. Consecuentemente, hay relacion entre causa y efecto, esto es, la fuerza y la aceleracion estan relacionadas .Dicho sinteticamente, la fuerza se define simplemente en funcion del momento en que se aplica a un objeto, con lo que 2 fuerzas seran iguales si causan las misma tasa de cambio en el momento del objeto.
Todo esto permite enunciar la 2da ley de Newton: Cuando sobre un cuerpo que puede moverse libremente actúa una fuerza no equilibrada, el cuerpo adquiere una misma aceleración en la misma dirección y sentido que la fuerza.
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El valor de la aceleración es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la masa del cuerpo. F=M ∙a .
TERCERA LEY DE NEWTON
OBJETIVO: Demostrar mediante ejemplos la comprensión de la tercera ley de newton y sus aplicaciones sobre el movimiento.
La fuerza que a un cuerpo le produce aceleración o deformación es debida a otro cuerpo exterior. Pero estas acciones son siempre mutuas. Esto es lo que nos da a explicar el tercer principio; Si un cuerpo ejerce una fuerza (acción) sobre otro, este reaccionara igual contra el 1ro con otra fuerza (reacción) igual pero con sentido contrario.
Ejemplo 1:
Un carrito con ruedas se encuentra en reposo sobre una superficie horizontal cuando de repente un muchacho con patines se apoya en él y lo lanza hacia otra compañera. El patinador ejerce una fuerza sobre el vehículo (fuerza de acción), desplazándolo. A su vez el patinador sale despedido hacia atrás, por lo que habrá que aceptar que el carrito ejerce una fuerza sobre el patinador (reacción). Ambos ejercen fuerzas reciprocas. Es necesario dejar en claro que estas fuerza no se anulan entre sí por ser iguales y de signo contrario porque
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actúan sobre cuerpos distintos y por tanto, puede producir aceleración en cada uno de ellos. Pensemos otra vez en el ejemplo anterior, el patinador y el carrito no saldrán en la misma aceleración porque tienen masas diferentes, será mayor la del carrito. Otra de las características de las fuerzas de acción y de reacción es que en algunas ocasiones algunas de estas fuerzas no se aprecian.
Si el muchacho no llevara los patines, la fuerza de acción del carrito sobre el no sería suficiente para moverlo, porque la fuerza de rozamiento entre la superficie del suelo y de los zapatos es mucho mayor a ella. En este caso solo observaríamos la fuerza de acción del carro.
Ejemplo 2:
Cuando se dispara u arma de fuego las únicas fuerzas que actúan son las interiores de expansión de pólvora, antes del disparo la cantidad de movimiento es cero, el arma y el proyectil están en reposo. Después del disparo el arma y el proyectil tienen una velocidad, la fuerza aceleradora del proyectil hacia adelante (el arma adquiere una velocidad de sentido contrario a la del proyectil), viene acompañado, por una fuerza de retroceso que se produce al disparar un arma de fuego.
LEY DE LA GRAVITACION UNIVERSAL
OBJETIVO: El alumno podrá enunciar y aplicar la ley de la gravitación universal.
La gravedad es una fuerza física que la Tierra ejerce sobre todos los cuerpos hacia su centro. También se trata de la fuerza de atracción de los cuerpos en razón de su masa.
La gravitación es la fuerza de atracción mutua que experimentan los cuerpos por tener una masa determinada. La existencia de dicha fuerza fue establecida por el físico, matemático y astrónomo británico Isaac Newton (1642-1727) en el siglo XVII. Si los cuerpos caen, se debe a que la tierra los atrae, es decir, reciben una fuerza de atracción. Esta se llama fuerza de gravedad o fuerza gravitatoria.
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Todo el mundo ha experimentado la gravedad y sus efectos cerca de la tierra. La gravedad es lo que causa que los objetos se caigan sobre la tierra. Qué los planetas giren alrededor del sol. Qué las galaxias se mantengan juntas. Que cambie el peso si viajase a otro planeta
De las cuatro fuerzas fundamentales identificadas por los físicos – nuclear fuerte, eléctrica débil, eléctrica estática y de gravedad- la fuerza gravitacional es la menos comprendida. Hoy en día, los físicos aspiran llegar hacia la “Gran Teoría Unificada” , donde todas estas fuerzas estén unidas en un modelo físico que describa el comportamiento total en el universo. En este momento, la fuerza gravitacional es el problema, la fuerza que se resiste a la unión.
Isaac Newton fue la primera persona en proponer un modelo matemático que describe la atracción gravitacional entre los objetos, Albert Einstein se basó sobre este modelo y desarrolló una descripción más completa de la gravedad en su Teoría General de la Relatividad
La Ley de la Gravitación Universal de Newton establece que la fuerza que ejerce una partícula puntual con masa m1 sobre otra con masa m2 es directamente proporcional al producto de las masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
La fuerza gravitatoria es la responsable de que los cuerpos se mantengan en contacto con la tierra o de que caigan sobre ella cuando se dejen en libertad a cierta altura.
Esto que ocurre en la tierra ocurre en la luna o en cualquier otro planeta solo que la fuerza gravitatoria en cada uno de ellos es de diferente peso ya que como sabemos la fuerza de gravedad que hay aquí en la tierra su peso es de 9.81m/s² no es la misma que hay en la luna ya que el paso de la gravedad es mucho menor que la que tenemos aquí.
La fuerza de gravedad actúa sobre cualquier cuerpo del universo; por esta razón decimos que la gravitación es universal.
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La fuerza gravitatoria se debe a la masa de los cuerpos y es una fuerza de acción a distancia.
El enunciado de esta ley y su expresión matemática quedan de este modo: Dos cuerpos cuales quiera la fuerza de atracción que experimentan es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.
F=G(m1∙m2)
d2
G; gravitación universal (9.81m/s²)
m1 y m2:masadecadacuerpo
d: distancia que los separa.
Newton estableció esta ley para explicar el movimiento de los planetas.
FUERZA NORMAL Y DE FRICCION
La fuerza normal es aquella que ejerce una superficie como reacción a un cuerpo que ejerce una fuerza sobre ella. Si la superficie es horizontal y no hay otra fuerza actuando que la modifique, la fuerza normal es igual al peso pero en sentido contrario. En este caso una fuerza horizontal empujando el cuerpo modifica la normal. En un plano inclinado la normal es una proyección del peso. Generalizando, la fuerza normal es una fuerza de reacción ejercida sobre la misma.
La fuerza normal es una reacción de la superficie a la fuerza que un cuerpo ejerce sobre ella.
Fricción: siempre que un objeto se mueve sobre una superficie o en un medio viscoso, hay una resistencia al movimiento debido a la interacción del objeto con sus alrededores. Dicha resistencia recibe el nombre de fuerza de fricción.
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Las fuerzas de fricción son importantes en la vida cotidiana. Nos permiten caminar y correr. Toda la fuerza de fricción se opone a la dirección del movimiento relativo.
Empíricamente se ha establecido que la fuerza de fricción cinética es proporcional a la fuerza normal N, siendo k la constante de proporcionalidad, esto es: f=μkN
Factores que dan origen a la fricción: la fricción la causa las irregularidades en la superficie de contacto o mientras más áspera la superficie mayor será la fricción o el peso de los cuerpos en contacto.
Los tipos de la fuerza de fricción son dos: la estática y la cinética.
Rozamiento estático: es la relación entre la fuerza máxima de fricción estática y la magnitud de la fuerza normal.
Rozamiento cinético: es el movimiento en que el cuerpo rompe su estado de reposo y se dice movimiento.
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Se presenta una transformación en la fuerza de rozamiento, es decir, la magnitud de dicha fuerza disminuye dando origen a la fuerza de rozamiento cinético.
Entre mayor sea el peso del objeto y lo áspero del suelo mayor será su fricción.
Entre menor sea el peso del objeto y el suelo sea liso menor será la fricción.
Equilibrio
Para que un cuerpo este en equilibrio es necesario que cumpla dos condiciones:
1) Que la resultante de todas las fuerzas aplicadas sobre el cuerpo sea nula
2) Que el momento resultante sea también nulo.
La primera condición nos indica que el cuerpo no se traslada y la segunda que no tiene posibilidad de girar. Al referirnos al equilibrio de un cuerpo podemos diferenciar, según la situación de su centro de gravedad, entre un equilibrio estable, inestable o indiferente.
Áspero Liso
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SI, al separar ligeramente al cuerpo de su posición de equilibrio, en el centro de gravedad se desplaza hacia arriba, el peso le obliga a descender de nuevo y el cuerpo recupero su posición inicial: equilibrio estable.
Si al centro de gravedad se desplaza hacia abajo, el peso le hará descender aún más y el cuerpo caerá, apartándose de su posición inicial: equilibrio inestable.
Si el centro de gravedad no se desplaza o lo hace horizontalmente, el cuerpo permanecerá como lo dejamos, son volver a su posición inicial ni apartarse más de ella: equilibrio indiferente.
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Si un cuerpo está suspendido de un punto fijo, como en la figura anterior, observamos que si el punto de suspensión está por encima del centro de gravedad el cuerpo está en equilibrio estable. S i está más bajo, el equilibrio es inestable y si coinciden los 2 puntos el equilibrio es indiferente.
INTRODUCCIÓN DE TRABAJO POTENCIAL Y ENERGÍA MECANICA
El trabajo en física se entiende como el producto de la fuerza aplicada sobre un cuerpo por el espacio que recorre dicho cuerpo y por el coseno del ángulo que forman la dirección de la fuerza y el desplazamiento:
T=(F )(D) ( cos∡)
Si la fuerza del desplazamiento tiene la misma dirección, el cos α=1, y la expresión de del trabajo queda:
T=(F )(D)
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En la industria, el trabajo tiene una gran variedad de funciones, en la minería y en la agricultura; también hay producción en el sentido amplio del término, o transformación de materias primas en objetos útiles para satisfacer las necesidades humanas; distribución, o transporte de los objetos útiles de un lugar a otro, en función de las necesidades humanas; las operaciones relacionadas con la gestión de la producción, como la contabilidad y el trabajo de oficina; y los servicios, como los que producen los médicos o los profesores.
Calcula el trabajo que realiza un caballo que arrastra un carro a una distancia de 5km con una fuerza de 500N
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
d=5kmd=5000mF=500NT= ¿?
T=F ∙d T=500 ∙5000 T=2500000 J
Un motor desplaza un objeto a 50m de distancia empleando una fuerza de 500N ¿Qué trabajo realiza?
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
d=50mF=500N
T=F ∙d T=500 ∙50 T=2500 J
Para desplazar un objeto 10m se ha realizado un trabajo de 2000J ¿Qué fuerza se ha aplicado?
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
d=10mT=2000J
F=Td
F=200010
F=200 N
La potencia se define como el cociente entre el trabajo realizado y el tiempo empleado en realizarlo.
Como tenemos el caso de:
Los carros de una montaña rusa, alcanzan su máxima energía potencial gravitacional en la parte más alta del recorrido. Al descender, ésta es convertida en energía cinética, la que llega a ser máxima en el fondo de la trayectoria (y la energía potencial mínima).
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Luego, al volver a elevarse debido a la inercia del movimiento, el traspaso de energías se invierte. Si se asume una fricción insignificante, la energía total del sistema permanece constante.
La energía mecánica es el conjunto de la energía cinética y potencial, y se define energía mecánica porque tiene su origen en el movimiento o en una fuerza.
ENERGIA MECANICA, POTENCIAL Y CINETICA.
Se dice que la energía es el poder de generar una transformación o movimiento en una determinada cosa. El concepto, además, refiere al recurso que, gracias a la tecnología, puede tener aplicaciones industriales.
La mecánica, por otra parte, engloba todas aquellas cosas que funcionan por acción de un mecanismo o maquinaria. El término también se usa para describir el acto automático y el objeto que puede ocasionar consecuencias como choques o erosiones.
Se conoce como energía mecánica, por lo tanto, a la clase de energía donde interviene tanto la posición como los movimientos de los cuerpos. Esto quiere decir que la energía mecánica es la sumatoria de las energías potenciales, cinéticas y la energía elástica de un objeto en movimiento.
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La denominada energía mecánica, entonces, puede presentarse como la capacidad de los cuerpos con masa para llevar a cabo un determinado esfuerzo o labor. Es importante recordar que la energía no se crea ni se destruye, sino que se conserva. La energía mecánica se mantiene constante en el tiempo gracias a la acción de fuerzas de carácter conservativo que trabajan sobre las partículas involucradas.
La energía existe en el universo en varias formas: energía mecánica, energía electromagnética, energía química, energía termal, y energía nuclear. En términos simples, el universo no es más que una transformación continua de energía. Podemos definir el concepto energía como la habilidad de causar cambios. Es decir, un objeto tiene energía si posee la habilidad de causar cambios en las propiedades físicas o químicas de otros objetos. La energía mecánica es la suma de la energía Potencial y la Cinética. En la Física Moderna, la energía mecánica es un concepto abstracto de suma de energías de naturaleza matemática, que enlaza o relaciona el movimiento inercial con el movimiento debido a la fuerza de la gravedad.
Como observamos anteriormente la energía mecánica es el conjunto de la energía potencial y la energía cinética.
La energía mecánica de un objeto está asociada a su velocidad y su posición. Resulta imposible observar la energía mecánica de un objeto. Sin embargo, podemos estudiar la energía mecánica cuando se transforma de una forma a otra o cuando se transfiere de un lugar a otro. A esta transformación o transferencia de energía la llamamos trabajo. Normalmente el concepto trabajo es asociado al esfuerzo físico o mental a través del cual en ocasiones
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obtenemos una remuneración económica. Sin embargo, en la ciencia trabajo se refiere única y exclusivamente a la transformación o transferencia de energía.
ENERGIA POTENCIAL
La energía potencial es el tipo de energía mecánica asociada a la posición o configuración de un objeto. Podemos pensar en la energía potencial como la energía almacenada en el objeto debido a su posición y que se puede transformar en energía cinética o trabajo. El concepto energía potencial, U, se asocia con las llamadas fuerzas conservadoras. Cuando una fuerza conservadora, como la fuerza de gravedad, actúa en un sistema u objeto; la energía cinética ganada (o pérdida) por el sistema es compensada por una pérdida (o ganancia) de una cantidad igual de energía potencial. Esto ocurre según los elementos del sistema u objeto cambia de posición.
Una fuerza es conservadora si el trabajo realizado por ésta en un objeto es independiente de la ruta que sigue el objeto en su desplazamiento entre dos puntos. Otras fuerzas conservadoras son: la fuerza electrostática y la fuerza de restauración de un resorte.Considera una pelota cayendo. La fuerza de gravedad realiza trabajo en la pelota. Como la dirección de la fuerza de gravedad es dirección del desplazamiento de la pelota, el trabajo realizado por la gravedad es positivo. El que el trabajo sea positivo significa que la energía cinética aumentará según la pelota cae. Es decir, la velocidad de la pelota aumentará.Según la energía cinética aumenta, la ganancia debe ser compensada por una pérdida de una cantidad igual en energía potencial. Es decir, según la pelota cae, la energía cinética aumenta mientras que la energía potencial disminuye.
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La energía que posee el sistema en virtud de sus posiciones o condiciones se llama ENERGIA POTENCIAL. Todo cuerpo que se ubicado a cierta altura del suelo posee energía potencial.
Esta afirmación se comprueba cuando un objeto cae al suelo, siendo capaz de mover o deformar objetos que se encuentren a su paso. El movimiento o deformación será tanto mayor cuanto mayor sea la altura desde la cual cae el objeto.
La energía potencial, Ep, se mide en julios (J), la masa, m se mide en kilogramos (kg), la aceleración de la gravedad, g, en metros/segundo-cuadrado (m/s2) y la altura, h, en metros (m).
Como la energía se expresa así misma en forma de trabajo, la energía potencial implica que debe haber un potencial para realizar un trabajo.
Esta cantidad de trabajo también puede ser efectuado por el cuerpo después de caer una distancia h. Por lo tanto, el cuerpo tiene una energía potencial igual en magnitud al trabajo externo necesario para elevarlo. Esta energía no proviene del sistema tierra-cuerpo, si no que resulta del trabajo, sobre el sistema por un agente externo. Solo una fuerza externa, como F en la (figura 8.6 pag.165 Ep) o la fricción, puede añadir o extraer energía del sistema formado por el cuerpo y la tierra.
Es igual a la masa del cuerpo multiplicada por la gravedad y por la altura a la que se encuentra desde un centro de referencia. Por ejemplo, desde el suelo.
La energía cinética de un cuerpo está determinada por la velocidad que tenga este y su masa.
Ep=mgh
Se conoce como energía potencial a la capacidad que tiene un cuerpo para desarrollar una acción de acuerdo a cómo están configurados en el sistema de cuerpos que realizan fuerzas entre sí. En otras palabras, la energía potencial
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es la energía que es capaz de generar un trabajo como consecuencia de la posición del cuerpo.
Calcula la potencia de una máquina que realiza un trabajo de 900J en 10s.
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
T=900Jt=10sP= ¿?
P=Tt
P=90010
P=90 W
Calcula la potencia de una máquina que realiza un trabajo de 36000J en media hora.
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
T=36000Jt=30mint=1800sP= ¿?
P=Tt
P=360001800
P=20 W
Una grúa tarda 1.5min en elevar una carretilla cargada de ladrillos con un peso total de 1000N, al quinto piso de una obra situado a 20m de altura. ¿Qué potencia desarrolla la grúa?
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
t=1.5mint=90sF=1000Nd=20mP= ¿ ?
T=F ∙d
P=Tt
T=1000 ∙20
P=2000090
T=20000P=222.22
JW
ENERGIA CINETICA.
Es una energía que surge en el fenómeno del movimiento. Está definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa dada desde su posición de equilibrio hasta una velocidad dada. Una vez conseguida esta
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energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética sin importar el cambio de la rapidez. Un trabajo negativo de la misma magnitud podría requerirse para que el cuerpo regrese a su estado de equilibrio.
Si una bola que se mueve choca contra otra que está en reposo, hace que esta segunda se ponga en movimiento: la primera bola ha realizado un trabajo y podamos decir que tiene energía. En realidad, todos los cuerpos, por el mero hecho de moverse, tienen energía.
La energía de los cuerpos en movimiento se llama ENERGIA CINETICA. La energía cinética es igual a un medio del producto entre la masa y el cuadrado de la velocidad.
Poseen energía cinética un tren en movimiento, la bala disparada por un fusil, el viento que impulsa un barco de vela, etc.
La energía cinética de un cuerpo solo depende de su masa y de la velocidad. Un cuerpo concreto si posee una velocidad muy grande, es capaz de producir cambios importantes al transferir su energía. La energía cinética es la energía que un objeto posee debido a su movimiento. La energía cinética depende de la masa y la velocidad del objeto según la ecuación
Ec=12mv ²
Donde m es la masa del objeto y v2 la velocidad del mismo elevada al cuadrado. El valor de E también puede derivarse de la ecuación
Este valor siempre es constante en sistemas conservativos, es decir donde hay ausencia de fuerzas externas como podrían ser las fuerzas de rozamiento.Por lo tanto, si la energía potencial disminuye, la energía cinética aumentara. De la misma manera si la cinética disminuye, la energía potencial aumentara.
La energía cinética es la energía mecánica asociada al movimiento de un objeto. Cuando un objeto se mueve, tiene energía cinética debido a su velocidad. En términos generales a mayor velocidad mayor energía.
Trabajo mecánico
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Se dice que una fuerza realiza trabajo cuando desplaza su punto de aplicación en su misma dirección. El trabajo mecánico se puede asignar con la letra T o W.
Cuando se eleva un objeto contra la fuerza de gravedad se hace trabajo, cuanto más pesado sea el objeto o cuanto más alto se eleva, mayor será el trabajo realizado. En todos los casos en los que se realiza un trabajo intervienen dos factores:
1.- Aplicación de una fuerza.
2.-El movimiento de un objeto debido a la acción de dicha fuerza (desplazamiento del objeto al que se le aplico dicha fuerza).
Cuando tratamos de arrastrar un bloque con una cuerda, no pasa nada. Estamos ejerciendo una fuerza y sin embargo no se ha movido. Por otra parte, si incrementamos en forma continua esta fuerza, llegara un momento en el que el bloque se desplazara. En este caso hemos logrado algo en realidad a cambio de nuestros esfuerzos. En física, este logro se define como trabajo. El termino trabajo tiene una definición operacional explicita y cuantitativa. Ejemplos de la vida diaria del trabajo los podemos encontrar cuando movemos objetos aplicando una fuerza como cargar una mesa, mover unas cajas, etc.
Energía mecánica
La energía mecánica puede manifestarse de diversas maneras.
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La energía mecánica es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energías potencial y cinética de un sistema mecánico. Expresa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un trabajo.
Conservación de la energía mecánica
La energía se conserva, es decir, ni se crea ni se destruye. Para sistemas abiertos formados por partículas que interactúan mediante fuerzas puramente mecánicas o campos conservativos la energía se mantiene constante con el tiempo:
Emec=Ec+Ep+Ee
Dónde:
Ec, es la energía cinética del sistema.
Ep, es la energía potencial gravitacional del sistema.
Ee, es la energía potencial elástica del sistema.
Es importante notar que la energía mecánica así definida permanece constante si únicamente actúan fuerzas conservativas sobre las partículas. Sin embargo, existen ejemplos de sistemas de partículas donde la energía mecánica no se conserva.
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Una piedra que cae libremente se encuentra a cierta altura del suelo. En este momento su energía potencial es de 421J y su energía cinética de 248J calcula:
a) su energía mecánica
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
Ep=421JEc=248JEm= ¿?
Em=Ep+Ec Em=421+248 Em=669 J
Un cuerpo de 5kg de masa que se encuentra en reposo a una altura de 5m.
a) ¿Cuál es su energía potencial?
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
m=5Kgg=9.8m/s²h=5mEp= ¿?
Ep=m∙g ∙h Ep=(5) (9.8) (5)
Ep=245 J
b) ¿Cuál es su energía cinética?
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
Ep=245JVo=0Ec= ¿?
Ec=12mv ² Ec=1
25(0) ² Ec=0
b) ¿Cuál es su energía mecánica?
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
Ec=0Em= ¿?
Em=Ep+Ec Em=245+0 Em=245 J
Potencia mecánica
La potencia mecánica se define como la rapidez con que se realiza un trabajo. Se mide en watts (w) y se dice que existe una potencia mecánica de un watt cuando se realiza un trabajo de un joule por segundo 1watt = 1j/s.
Ejemplo:
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Mientras una persona sube por una escalera un bulto de cemento de 50kg a un departamento que se encuentra en reparación en el cuarto piso de un edificio, otra persona utiliza una polea y sube otro bulto de 50kg hasta el mismo piso en menor tiempo ¿Quién realiza mayor trabajo?
R= puesto que cada quien elevo un bulto de 50 kg a la misma altura el trabajo realizado es el mismo solo que uno lo efectuó en menor tiempo. A la rapidez respecto al trabajo se le define como potencia mecánica. Por lo tanto en el problema planteado no importa quién realizo mayor trabajo ya que es el mismo pero la única diferencia es que uno fue con mayor potencia que el otro.
En nuestra definición de trabajo, el tiempo no participa en forma alguna. La misma cantidad de trabajo se realiza si la tarea dura una hora o un año. Si se le da tiempo suficiente, aun el motor menos potente llega a levantar una carga enorme, sin embargo, si deseamos realizar una tarea con eficiencia, la rapidez con la que se efectúa un trabajo se vuelve una cantidad importante en ingeniería.
P=Tt
Puesto que se realiza con frecuencia de manera continua, es útil disponer de una expresión para la potencia que incluya a la velocidad. Así pues;
P=Tt=Fs
t=Fv
De donde
P=FSt=Fv
P=Fv
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ENERGÍA CINÉTICA1. Calcula la energía cinética de una persona de 70 kg de masa cuando se
mueve a 5 m/s.
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
m=70kgV=5m/sEc= ¿?
Ec=12mv ² Ec=1
2(70)(5) ² Ec=875 J
2. Un coche circula a una velocidad de 72 km/h y tiene una masa de 500 kg. ¿Cuánta energía cinética posee?
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
m=500kgV=72km/hEc= ¿?
Ec=12mv ² Ec=1
2(500)(72) ² Ec=1296000 J
ENERGÍA POTENCIAL1. Calcula la energía potencial de un martillo de 1,5 kg de masa cuando se
halla situado a una altura de 2 m sobre el suelo. Sol: 29,4 J
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
m= 1.5kgg= 9.8m/sh= 2mEp= ¿?
Ep=m∙g ∙h Ep=(1.5) (9.8) (2)
Ep=29.4 J
2. Se sube en un ascensor una carga de 2 T (1 T = 1000 kg) hasta el 6º piso de un edificio. La altura de cada piso es de 2,5 metros.
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO
UNIDADES
m= 2000kgg= 9.8m/sh=2,5(6)=15m
Ep=m∙g ∙h Ep=(2000) (9.8) (15)
Ep=294000 J
100
ENERGÍA MECÁNICA 1. Calcula la energía mecánica de un saltador de longitud de 75 kg de
masa, cuando está en el aire a 2,5 metros sobre el suelo y con una velocidad de 9 m/s.
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO
UNIDADES
m= 75kgh=2,5mv=9m/sg=9.8m/s
Ec=12mv ²
Ep=m∙g ∙hEm=Ep+Ec
Ec=12
(75 ) (9 )2
Ep=75 ∙9.8 ∙2.5Em=3037.5+1837.5
Ec=1837.5Ep=3037.5Em=4875
JJJ
2. Un avión vuela con una velocidad de 720 km/h a una altura de 3 km sobre el suelo. Si la masa del avión es de 2500 kg, ¿cuánto vale su energía mecánica total?
DATOS FORMULA DESARROLLO RESULTADO UNIDADES
m=2500kgh=3kmV=720km/hg=9.8m/s
Ec=12mv ²
Ep=m∙g ∙hEm=Ep+Ec
Ec=12(2500)(720) ²
Ep=2500∙9.8 ∙3Em=73500+64800000000
Ec=64800000000Ep=73500Em=64800073500
JJJ
Ley de la Conservación de la Energía
101
La ley de la conservación de la energía constituye en el primer principio de la termodinámica (la primera ley de la termodinámica) y afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema físico aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía.
La propiedad más importante de la energía es que su cantidad total varía. La energía no se crea ni se destruye, aunque con frecuencia varía su forma. Esta es la ley de la conservación de la energía.
Podemos observar la transformación de la energía cinética en potencial y viceversa en el movimiento de un péndulo.
Al desplazar un péndulo de su posición de equilibrio, se observa que se realiza un movimiento de vaivén. Se ha comprobado que la suma de la energía cinética y la potencial es siempre la misma para todos los puntos de la trayectoria de un péndulo.
El enunciado de esta ley de conservación de la energía es válido si no intervienen fuerzas que, como las de rozamiento, disipan en forma de calor el trabajo que producen. Por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma energía calorífica en un calefactor.
Con mucha frecuencia, a rapideces relativamente bajas tiene lugar un intercambio entre las energías potencial y cinética. Supongamos que se levanta una masa (m) hasta una altura (h) y luego se le deja caer.
Una fuerza externa ha incrementado la energía del sistema, dándole una energía potencial EP = m g h en el punto más alto. Esta energía total disponible para el sistema y no puede modificarse a menos que se enfrente a una fuerza de resistencia externa. En la medida en que la masa cae, su energía potencial
102
disminuye debido a que se reduce la altura sobre el piso. La pérdida de energía potencial reaparece en forma de energía cinética de movimiento.
En ausencia de la resistencia del aire la energía total (E p + E c) permanece igual. La energía potencial sigue transformándose en energía cinética hasta que la masa llega al peso (h = 0).
En esta posición final, la energía cinética es igual a la energía total, y la energía potencial es cero.
Es importante señalar que la suma de E p y E c es la misma en cualquier punto durante la caída. Si denotamos la energía total de un sistema con E q, Entonces podemos escribir:
Energía total = energía cinética + energía potencial = constante
Eq=Ec+Ep=K
Esta ley afirma que:
No existe ni puede existir nada capaz de generar energía.
No existe ni puede existir nada capaz de hacer desaparecer la energía.
Si se observa que la cantidad de energía varia siempre será posible atribuir dicha variación a un intercambio de energía con algún otro cuerpo.
Existe una distinción general entre los sistemas considerando 2 categorías de fuerzas que podrían actuar en su interior: fuerzas consecutivas y no consecutivas.
La fuerza consecutiva solo depende de las posiciones inicial y final del objeto.
La fuerza no consecutiva depende de la trayectoria de objeto.
Las fuerzas conservativas tienen dos propiedades importantes
Si el trabajo realizado sobre una partícula que se mueve entre cualesquiera dos puntos es independiente de la trayectoria seguida de la partícula.
El trabajo realizado por una fuerza conservativa a lo largo de cualquier trayectoria cerrada es cero.
La energía mecánica total es un sistema consecutivo y es constante.
La propiedad más importante para clasificar una fuerza como no conservativa es cuando esa fuerza produce un cambio en la energía mecánica, definida como la suma de la energía cinética y potencial. El tipo de energía asociada a una fuerza no conservativa puede ser un aumento o disminución de la temperatura.
