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Segunda Parcial-Física 1

Energía

Existen distintas clasificaciones posibles para la energía, según los aspectos en los que nos fijemos: eólica, solar, nuclear, calorífica, renovable, etc. Sin embargo en Física se considera que existen 3 categorías fundamentales y la energía de un cuerpo o sistema puede pertenecer a uno solo o varios de las siguientes: Energía interna: Debida a la composición y al estado del cuerpo Energía cinética: Debida al estado de movimiento del cuerpo Energía potencial: Debida a la posición que ocupa un cuerpo en un campo de fuerzas.

La energía se define como la capacidadde realizar trabajo, de producir movimiento, de generar cambio. Es inherente a todos los sistemas físicos, y la vida en todas sus formas, se basa en la conversión, uso, almacenamiento y transferencia de energía. Puede presentarse como energía potencial (energía almacenada) o como energía cinética (energía en acción), siendo estas dos formas interconvertíbles, es decir, la energía potencial liberada se convierte en energía cinética, y ésta cuando se acumula se transforma en energía potencial. La energía no puede ser creada ni destruida, sólo transformada de una forma en otra (Primera Ley de la Termodinámica).

El Principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma de unas formas en otras. En estas transformaciones, la energía total permanece constante; es decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación. En el caso de la energía mecánica se puede concluir que, en ausencia de rozamientos y sin intervención de ningún trabajo externo, la suma de las energías cinética y potencial permanece constante. Este fenómeno se conoce con el nombre de Principio de conservación de la energía mecánica.

Ecuación

E=MC² es la ecuación más famosa del mundo desde que apareció en la portada de la revista Times de 1946. En ella aparece un retrato de Albert Einstein, un hongo atómico y E=MC², estableciendo una relación entre la fórmula del físico alemán y el desarrollo de la bomba que destruyó Hiroshima. La energía (E) es igual a la masa (M) multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz (C²). Obviamente, la velocidad de la luz ya es una cifra enorme, y su cuadrado resulta casi inconcebiblemente mayor. De ahí que una diminuta cantidad de materia, si se convierte completamente en energía, genere una fuerza enorme. (...) Expresado de una manera más gráfica: la energía contenida en la masa de una uva pasa podría satisfacer casi todas las necesidades energéticas de la ciudad de Nueva York durante un día entero”.

Formula

La fórmula matemática es la siguiente Ep = m.g.h. siendo m, la masa, g la fuerza de la gravedad y h la altura del objeto. Energía Cinética Ec=12⋅m⋅v2

La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza.  La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo  La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica.  Al mirar a nuestro alrededor se observa que las plantas crecen, los animales se trasladan y que las máquinas y herramientas realizan las más variadas tareas. Todas estas actividades tienen en común que precisan del concurso de la energía.

Trabajo y potencia

En mecánica clásica, se dice que una fuerza realiza trabajo cuando altera el estado de movimiento de un cuerpo. El trabajo de la fuerza sobre ese cuerpo será equivalente a la energía necesaria para desplazarlo de manera acelerada. El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra \ W (del inglés Work) y se expresa en unidades de energía, esto es en julios o joules (J) en el Sistema Internacional de Unidades.

Este principio establece que el trabajo mecánico realizado sobre un cuerpo es igual al cambio en la energía cinética del cuerpo. Esto significa, que el trabajo mecánico es igual a la energía cinética final menos la energía cinética inicial del cuerpo. Donde: W = trabajo mecánico medido en J.

Potencia P=Wt Ecuación de Dimensiones de la Potencia [P]=M⋅L2⋅T−3

Trabajo Total en Presencia de Varias Fuerzas Wtotal=∑ni=1F→i⋅Δr→=F→total⋅Δr→ Trabajo como Producto Escalar. Fuerza Constante, Movimiento Rectilíneo W=F→⋅Δr→=F⋅Δr⋅cosϕ=F⋅Δs⋅cosϕ

Ejemplo(problemas)

Ley gravitatoria universal

Dos cuerpos se atraen con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, y está dirigida según la recta que une los cuerpos. Dicha fuerza se conoce como fuerza de la gravedad o fuerza gravitacional y se expresa de la forma:

Ecuaciones o Formula

F→g=−G⋅M⋅mr2⋅u→r donde: F→g :Es el vector fuerza gravitatoria. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el newton (N) G es la constante de gravitación universal, que no depende de los cuerpos que interaccionan y cuyo valor es G = 6,67·10-11 N·m2/kg2, M y m son las masas de los cuepos que interaccionan. Su unidad de medida en el Sistema Internacional (S.I.) es el kilogramo (kg) r es la distancia que los separa. Es el módulo del vector r→ , que une la masa que genera la fuerza con la masa sobre la que actúa. u→r es un vector unitario que posee la misma dirección de actuación de la fuerza aunque de sentido contrario.

Una aplicación espectacular fue la medida de la masa y densidad de la Tierra u otro astro cualquiera. Variación del peso con la altura. Cálculo de las órbitas de satélites. Demostración de las leyes de Kepler.

La ley de la gravitación universal, o simplemente, ley de la gravedad, establece la fuerza con la que se atraen dos cuerpos por el simple hecho de tener masa. Esta ley fue desarrollada por Sir Isaac Newton en el tercer libro de su obra Principios matemáticos de fillosofía natural, titulado Sobre el sistema del mundo. En este apartado estudiaremos:

Teoría, ley y principio

Teoría de la "Gravitación Universal" de Newton La Luna gira alrededor de la Tierra. Como su tamaño no parece que cambie, su distancia será aproximadamente la misma y por lo tanto su órbita deberá parecer un círculo. Para mantener a la Luna moviéndose en ese círculo antes que deambular por ahí, la Tierra deberá ejercer una atracción sobre la Luna. Newton llamó a esa fuerza de atracción la gravedad. ¿Es la misma que atrae todos los objetos hacia abajo? Supuestamente la anterior pregunta se le ocurrió a Newton cuando vio a una manzana caer del árbol. John Conduitt, asistente de Newton en la real moneda y marido de su sobrina, dijo esto sobre el asunto cuando escribió sobre la vida de Newton

Ejercicio(Problema)

Leyes de Newton

¿Qué son?

Las leyes de Newton son tres principios que sirven para describir el movimiento de los cuerpos, basados en un sistema de referencias inerciales (fuerzas reales con velocidad constante). Las tres leyes de Newton son: Primera ley o ley de la inercia. Segunda ley o ley fundamental de la dinámica. Tercera ley o principio de acción y reacción. Estas leyes que relacionan la fuerza, la velocidad y el movimiento de los cuerpos son la base de la mecánica clásica y la física. Fueron postuladas por el físico y matemático inglés Isaac Newton, en 1687.

Tercera ley de Newton o Principio de acción reacción: si un objeto A ejerce una fuerza sobre un objeto B, entonces el objeto B debe ejercer una fuerza de igual magnitud en dirección opuesta sobre el objeto A. Esta ley representa una cierta simetría en la naturaleza: las fuerzas siempre ocurren en pares, y un cuerpo no puede ejercer fuerza sobre otro sin experimentar él mismo una fuerza. A veces, coloquialmente nos referimos a esta ley como una de acción-reacción, donde la fuerza ejercida es la acción y la fuerza experimentada como consecuencia es la reacción.

Segunda ley o principio fundamental de la dinámica:La segunda ley de Newton define la relación exacta entre fuerza y aceleración matemáticamente. La aceleración de un objeto es directamente proporcional a la suma de todas las fuerzas que actúan sobre él e inversamente propocional a la masa del objeto, Masa es la cantidad de materia que el objeto tiene.

Formulas o Ecuaciones

La fórmula de la primera ley de Newton es: Σ F = 0 ↔ dv/dt = 0 La fórmula de la segunda ley de Newton es: F= m.a La fórmula de ley de acción y reacción es: F1-2 = ­F2-1

Ejemplos(problemas)

Tercer ley

Segunda ley

Aplicacion

El movimiento de los cuerpos por acción de la gravedad. Los sólidos elásticos (resortes) y otros sistemas oscilantes (como péndulos). Las fuerzas de reacción que actúan partículas que se hallan sobre superficies u obligadas a moverse a lo largo de una curva. La presencia de varillas rígidas o hilos flexibles (péndulos y poleas). El rozamiento, seco o viscoso

Primera ley

Primera Ley o ley de la inercia:La primera ley de Newton, conocida también como Ley de inercía, nos dice que si sobre un cuerpo no actua ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad cero).

Fricción

Concepto

La fuerza de rozamiento o de fricción (FR−→) es una fuerza que surge por el contacto de dos cuerpos y se opone al movimiento. El rozamiento se debe a las imperfecciones y rugosidades, principalmente microscópicas, que existen en las superficies de los cuerpos. Al ponerse en contacto, estas rugosidades se enganchan unas con otras dificultando el movimiento. Para minimizar el efecto del rozamiento o bien se pulen las superficies o bien, se lubrican, ya que el aceite rellena las imperfecciones, evitando que estas se enganchen.

Teoría, ley o principio

Leonardo Da Vinci, reconsiderado en su vigente teoría de la fricción Un nuevo estudio sobre la fricción con alta tecnología ha puesto reparos a principios vigentes establecidos por Leonardo da Vinci hace cinco siglos: que la fricción es porporcional a la fuerza normal. La fricción es responsable de aproximadamente el veinte por ciento del consumo de energía mundial. La razón principal de esto es que las fuerzas de fricción ralentizan el movimiento de las superficies en contacto, por ejemplo, las partes móviles del motor de un automóvil. Leonardo Da Vinci, reconsiderado en su vigente teoría de la fricción Hace más de quinientos años, Leonardo da Vinci fue la primera persona en estudiar la fricción sistemáticamente. Muchos ingenieros siguen utilizando el principal resultado de Da Vinci en la actualidad: la fricción es proporcional a la fuerza normal. Es decir: cuando dos objetos se presionan juntos el doble de duro, la fricción también se duplica.

Subtopic

Aplicación

Las ruedas de un auto que se mueven sobre el pavimento, intencionadamente altas para proporcionar al conductor un mayor control sobre el vehículo. El diseño de toda clase de vehículos, ya sean submarinos, barcos y todos los que se desplacen sobre el agua. El roce entre un avión y el aire, cuando está volando. Esta fricción es dependiente del diseño aerodinámico. Un objeto posados sobre la tierra, que es muy difícil de dar el impulso inicial pero algo más fácil moverlo una vez producido ese impulso. Deslizar un cuerpo sobre un plástico mojado, lo que le da más recorrido que sobre el plástico seco, precisamente porque el agua disminuye la fuerza de fricción entre superficies. Un fósforo cuando choca con la caja, generando la combustión necesaria para encenderse.

Problema(ejemplo)

Ecuación o Formula

Según la Tercera Ley de Newton, a la fuerza que ejerce m sobre la superficie se le opone otra igual y de sentido contrario, a la que llamaremos fuerza normal, es decir FN = –mg.

Movimiento circular

¿Qué es?

El movimiento circular es el que recorre una partícula o cuerpo por una circunferencia. Este movimiento tiene un eje y todos los puntos por los que pasa la partícula se encuentran a una distancia constante (r) del eje.

Variables

Eje: punto fijo en el centro de la circunferencia por la que gira el cuerpo. Radio: distancia a la que gira el punto P sobre el eje O (en nuestro caso r). Posición: punto P en el que se encuentra la partícula. Velocidad angular: define la variación angular por unidad de tiempo (ω) Velocidad tangencial: es el módulo de la velocidad en cualquier punto del giro y viene definido como el recorrido, en unidades de longitud, que describe P por unidad de tiempo (vt). Aceleración angular: es el incremento de velocidad angular por unidad de tiempo (α). Aceleración tangencial: se define como el incremento de velocidad lineal por unidad de tiempo (at). Aceleración centrípeta: componente que va dirigida hacia el centro de la circunferencia. Representa el cambio de dirección del vector velocidad (acen). Período: tiempo T que tarda la partícula en dar una vuelta al círculo. Frecuencia: número de vueltas f que recorre la partícula en una unidad de tiempo. Se expresa en ciclos/seg o hertzios.

Teoría, leyes y principios

En el estudio del movimiento circular uniforme, hemos visto que la velocidad del móvil no cambia de módulo pero cambia constantemente de dirección. El móvil tiene una aceleración que está dirigida hacia el centro de la trayectoria, denominada aceleración normal y cuyo módulo es La segunda ley de Newton afirma, que la resultante de las fuerzas F que actúan sobre un cuerpo que describe un movimiento circular uniforme es igual al producto de la masa m por la aceleración normal an. F=m an

Ecuaciones o Formulas

Las ecuaciones del movimiento circular uniforme son las siguientes: φ=φ0+ω⋅t ω=constante α=0 Donde: φ, φ0: Posición angular del cuerpo en el instante estudiado y posición angular del cuerpo en el instante inicial respectivamente. Su unidad de medida en el Sistema Internacional (S.I.) es el radián (rad) ω: Velocidad angular del cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional (S.I.) es el radián por segundo (rad/s) α: Aceleración angular. Su unidad de medida en el Sistema Internacional (S.I.) es el radián por segundo al cuadrado (rad/s2)

Problemas(ejemplos)

Tiro parabólico

¿Que es?

El tiro parabólico es un movimiento que resulta de la unión de dos movimientos: El movimiento rectilíneo uniforme (componentes horizontal) y, el movimiento vertical (componente vertical) que se efectúa por la gravedad y el resultado de este movimiento es una parábola Es la resultante de la suma vectorial de un movimiento horizontal uniforme y de un movimiento vertical rectilíneo uniformemente variado. El tiro parabólico es de dos clases: a) tiro horizontal y, b) tiro oblicuo

Clases

Tiro Oblicuo: Se caracteriza por la trayectoria que sigue un cuerpo, cuando es lanzado a una velocidad inicial que forma un ángulo 𝜃 con el eje horizontal.

Tiro Horizontal: Se caracteriza por la trayectoria curva que sigue un cuerpo al ser lanzado horizontalmente al vació. el resultado de dos movimientos independientes: un movimiento horizontal con velocidad constante y un movimiento vertical que se inicia con una velocidad 0 y va aumentando, en proporción de otro cuerpo que se dejara caer del mismo punto en el mismo instante

Ecuaciones o formulas

Las ecuaciones del movimiento parabólico son: Las ecuaciones del m.r.u. para el eje x x=x0+vx⋅t Las ecuaciones del m.r.u.a. para el eje y vy=v0y+ay⋅t y=y0+v0y⋅t+12⋅ay⋅t2

Ejemplos