FISICA 1

 

La física es la ciencia que estudia el comportamiento y las relaciones entre la materia, la energía, el espacio y el tiempo, podemos decir que la física investiga los fenómenos que ocurren en la naturaleza y en el universo con el objeto de establecer leyes matemáticas que puedan predecir su comportamiento.

La física abarca todo, por un lado estudia lo infinitamente pequeño como son las partículas fundamentales conocidas como quarks que componen los átomos, mientras que en el otro extremo también se ocupa de los lejanos y gigantescos fenómenos astronómicos como son los quásares, los agujeros negros o los movimientos que se producen entre las galaxias del universo. 

 

FÍSICA CUÁNTICA

La física cuántica es una rama de la física que estudia los fenómenos físicos basándose en la teoría cuántica para describir y predecir las propiedades de un sistema físico.

También se conoce como mecánica cuántica aunque ésta también se puede considerar un área de la física cuántica centrada en el estudio de la materia y sus propiedades a nivel subatómico.

El concepto de 'cuántica' hace referencia al término 'cuantos', que, de una manera simplificada, es la pequeña cantidad de energía que puede emitir o absorber la materia.

Algunos autores destaca bles en este campo son Max Planck y Werner Heisenberg.

FÍSICA NUCLEAR

La física nuclear es una rama de la física que estudia los núcleos atómicos, su estructura, propiedades y la interacción entre sus componentes. El objeto de estudio de las física nuclear, por lo tanto se centra en los protones y neutrones que forman el núcleo de un átomo y los fenómenos que se producen como la fisión, la fusión, la colisión y la desintegración.

FÍSICA MODERNA

La física moderna es el conjunto de conocimientos relativos a la física que surgen a partir del siglo XX basados especialmente a la teoría cuántica y la teoría de la relatividad.

Su objeto de estudio es de una forma genérica es la estructura, propiedades, componentes y las reacciones a nivel atómico y subatómico y los fenómenos producidos a la velocidad de la luz o cercana a ella.

La física moderna supone un avance y profundización en el conocimiento de los fenómenos físicos en relación con la física clásica.

Dos magnitudes son directamente proporcionales cuando al aumentar una la otra lo hace en la misma proporción, y al decrecer la primera la segunda también decrece en la misma proporción.

Ejemplo:

Un coche consume 8 litros en 100 km, 16 litros en 200 km, 24 litros en 300 km.

Vemos que:

Cuando la distancia se multiplica por 2, y pasa de 100 km a 200 km, el consumo también se multiplica por 2, pasando de 8 a 16 litros.

Cuando la distancia se multiplica por 3, y pasa de 100 km a 300 km, el consumo también se multiplica por 3, pasando de 8 a 24 litros.

Para resolver problemas de magnitudes que son directamente proporcionales se pueden utilizar 2 métodos:

Reducción a la unidad

Regla de tres directa

Veamos un ejemplo:

Un estudiante compra 8 cuadernos y paga 20 euros; ¿cuánto pagaría por 11 cuadernos?

a) Reducción a la unidad

Calculamos el valor de la segunda variable para una unidad de la primera:

1 cuadernos cuesta 20 / 8 = 2,5 euros.

Multiplicamos el valor por unidad de la segunda variable por el número de unidades de la primera:

Por 11 cuadernos pagará: 11 x 2,5 = 27,5 euros

b) Regla de tres directa

La “Regla de tres directa” se basa en la proporcionalidad de 2 magnitudes.

Si para un valor de una variable (A) la segunda variable (B) toma un valor determinado, para un valor diferente de la primera magnitud puedo calcular el valor que tomará la segunda ya que ambas evolucionan de forma directamente proporcional.

Lo planteamos de la siguiente manera:

8 cuadernos (A) --------- > 20 euros (B)

11 cuadernos (C) -------- > “z” euros

Se denomina movimiento rectilíneo, aquél cuya trayectoria es una línea recta.

En la recta situamos un origen O, donde estará un observador que medirá la posición del móvil x en el instante t. Las posiciones serán positivas si el móvil está a la derecha del origen y negativas si está a la izquierda del origen.

Posición

La posición x del móvil se puede relacionar con el tiempo t mediante una función x=f(t).

Desplazamiento

Supongamos ahora que en el tiempo t, el móvil se encuentra en posición x, más tarde, en el instante t' el móvil se encontrará en la posición x'. Decimos que móvil se ha desplazado Dx=x'-x en el intervalo de tiempoDt=t'-t, medido desde el instante t al instante t'.

Velocidad

La velocidad media entre los instantes t y t' está definida por

Para determinar la velocidad en el instante t, debemos hacer el intervalo de tiempo Dt tan pequeño como sea posible, en el límite cuando Dt tiende a cero.

Pero dicho límite, es la definición de derivada de x con respecto del tiempo t.

Para comprender mejor el concepto de velocidad media, resolvemos el siguiente ejercicio

Aceleración

En general, la velocidad de un cuerpo es una función del tiempo. Supongamos que en un instante t la velocidad del móvil es v, y en el instante t' la velocidad del móvil es v'. Se denomina aceleración media entre los instantes t y t' al cociente entre el cambio de velocidad Dv=v'-v y el intervalo de tiempo en el que se ha tardado en efectuar dicho cambio, Dt=t'-t.

La aceleración en el instante t es el límite de la aceleración media cuando el intervalo Dt tiende a cero, que es la definición de la derivada de v.

Donde v = rapidez         d = distancia o desplazamiento    t = tiempo

La aceleración es la consecuencia del verbo acelerar, vocablo de origen latino, proveniente de “celer” que significa ir más rápido.

En Física se conoce como aceleración el cambio que sufre la velocidad de un cuerpo en determinado tiempo. Se necesita saber su dirección, magnitud y sentido, por tratarse de una magnitud vectorial que establece una relación entre las variaciones de velocidad y el tiempo en que tardan en producirse.. En el sistema internacional la unidad es el m/s2. Se mide con un aceleró metro. Lo que indica la aceleración es cuán rápido suceden los cambios de velocidad y no la velocidad en sí misma. Un objeto puede moverse con mucha rapidez y no ser mucha su aceleración. Si la velocidad es constante, la aceleración es igual a cero, por más que se mueva rápidamente. La aceleración negativa se denomina desaceleración. Esto sucede por ejemplo cuando un vehículo frena. El movimiento es uniformemente acelerado si el aumento es proporcional al tiempo.

Para la Física, el equilibrio es el estado de un sistema en el que coexisten simultáneamente dos o más componentes que se contrarrestan recíprocamente, anulándose. Puede presentarse en un cuerpo estático, no sujeto a ningún tipo de modificación, sea de traslación o de rotación; o en un cuerpo en movimiento. Este último puede originar tres tipos de equilibrio:

• Equilibrio estable: aquel a que vuelve por sí mismo un cuerpo que ha sido apartado de su posición. Un péndulo ilustraría perfectamente el equilibrio estable.
• Equilibrio indiferente: aquel independiente de la posición del cuerpo. Por ejemplo: una rueda sobre su eje.
• Equilibrio inestable: aquel en que el cuerpo no recupera la posición inicial, sino que pasa a una posición de equilibrio más estable. Pensemos en un bastón que estaba parado sobre su pie y que cae al piso.

Se denomina movimiento parabólico al realizado por un objeto cuya trayectoria describe una parábola. Se corresponde con la trayectoria ideal de un proyectil que se mueve en un medio que no ofrece resistencia al avance y que está sujeto uniformemente.En realidad, cuando se habla de cuerpos que se mueven en un tiempo gravitatorio central (como el de La Tierra), el movimiento es elíptico. En la superficie de la Tierra, ese movimiento es tan parecido a una parábola que perfectamente podemos calcular su trayectoria usando la ecuación matemática de una parábola. La ecuación de una elipse es bastante más compleja. Al lanzar una piedra al aire, la piedra intenta realizar una elipse en uno de cuyos focos está el centro de la Tierra. El tiro parabólico tiene las siguientes características: Conociendo la velocidad de salida (inicial), el ángulo de inclinación inicial y la diferencia de alturas (entre salida y llegada) se conocerá toda la trayectoria. Los ángulos de salida y llegada son iguales. La mayor distancia cubierta o alcance se logra con ángulos de salida de 45º. Para lograr la mayor distancia fijado el ángulo el factor más importante es la velocidad. Se puede analizar el movimiento en vertical independientemente del horizontal. El lanzamiento horizontal es un tipo de movimiento que explica la interacción que tiene un "móvil" al estar en movimiento con una serie de factores físicos. Este móvil durante su trayectoria tiene una serie de características específicas que lo diferencia de otro tipo de movimiento. Dichas características son: * Tiene una relación directa con la "caída libre", la cual según Brett C., E., Suárez, W. A. (2012) "es el movimiento, en dirección vertical, con aceleración constante realizado por un cuerpo cuando se deje caer en el vacío". * Este tipo de lanzamiento combina dos tipos de movimientos: el vertical (producido por la caída libre) y el vertical (definido como un Movimiento Rectilíneo Uniforme). * Ya que tiene dos movimientos, uno que atrae (la gravedad), y otro que hace mover al móvil hacia un lado “horizontal” (MRU), tenemos que la trayectoria es una semi parábola.

INERCIA

La inercia en Física designa a la incapacidad de los cuerpos para salir del estado de reposo o de movimiento o variar las condiciones de ese movimiento, en forma independiente de una fuerza exterior.

La primera ley de Newton, que sienta el principio de inercia, nos explica que un cuerpo en reposo o en movimiento, ya sea uniforme o rectilíneo, permanecerá en estado de reposo o conservará cuantitativa mente su movimiento, si las fuerzas que actúan sobre él desde el exterior son iguales a cero. 

 

 

La inercia es proporcionalmente directa a la masa del cuerpo.La cantidad de masa y el tensor de inercia son los factores de los que depende la inercia mecánica, que es la antes definida. La que se relaciona con la masa total del cuerpo se denomina inercia traslacional, y la relacionada con el eje de giro, en cuanto a como se distribuye la masa del cuerpo, se denomina rotacional.

 

 Otro tipo de inercia es la térmica que es la propiedad de los cuerpos para conservar el calor e ir liberándolo en forma gradual, evitando de esta manera grandes variaciones térmicas. Depende de la masa, del calor específico y de la densidad del cuerpo. El suelo es un elemento natural de gran inercia térmica. Se usa mucho en construcción con respecto a la climatización de los ambientes. Si la inercia térmica es mucha, también lo será la estabilidad térmica

TRABAJO ,ENERGÍA Y POTENCIA

La energía es uno de los conceptos más importantes en todas las áreas de la física y en otras ciencias. La energía es una cantidad que se conserva, de ahí su importancia.

La energía puede definirse en la forma tradicional, aunque no universalmente correcta como "la capacidad de efectuar trabajo". Esta sencilla definición no es muy precisa ni válida para todos los tipos de energía, como la asociada al calor, pero sí es correcta para la energía mecánica, que a continuación describiremos y que servirá para entender la estrecha relación entre trabajo y energía.

Pero, ¿qué se entiende por trabajo? En el lenguaje cotidiano tiene diversos significados. En física tiene un significado muy específico para describir lo que se obtiene mediante la acción de una fuerza que se desplaza cierta distancia.

El trabajo efectuado por una fuerza constante, tanto en magnitud como en dirección, se define como: "el producto de la magnitud del desplazamiento por la componente de la fuerza paralela al desplazamiento".

En forma de ecuación: 

, donde W denota trabajo,  es la componente de la fuerza paralela al desplazamiento neto d.

.

En forma más general se escribe: 

W=Fdcos, donde F es la magnitud de la fuerza constante, d el desplazamiento del objeto y  el ángulo entre las direcciones de la fuerza y del desplazamiento neto. Notemos que Fcos es justamente la componente de la fuerza F paralela a d. Se aprecia que el trabajo se mide en Newton metros, unidad a la que se le da el nombre Joule (J).

1 J = 1 Nm.

Veamos un ejercicio.

Una caja de 40 kg se arrastra 30 m por un piso horizontal, aplicando una fuerza constante Fp = 100 N ejercida por una persona. Tal fuerza actúa en un ángulo de 60º. El piso ejerce una fuerza de fricción o de roce 

Fr = 20 N. Calcular el trabajo efectuado por cada una de las fuerzas Fp, Fr, el peso y la normal. Calcular también el trabajo neto efectuado sobre la caja.

Solución: Hay cuatro fuerzas que actúan sobre la caja, Fp, Fr, el peso mg y la normal (que el piso ejerce hacia arriba).

El trabajo efectuado por el peso mg y la normal N es cero, porque son perpendiculares al desplazamiento (=90º para ellas).

El trabajo efectuado por Fp es: 

Wp = Fpxcos (usando x en lugar de d) = (100 N)(30 m)cos60º = 1500 J.

El trabajo efectuado por la fuerza de fricción Fr es: 

Wr = Frxcos180º = (20 N)(30 m)(-1) = -600 J.

El ángulo entre Fr y el desplazamiento es 180º porque fuerza y desplazamiento apuntan en direcciones opuestas.

El trabajo neto se puede calcular en dos formas equivalentes:

• Como la suma algebraica del efectuado por cada fuerza:
  W_NETO = 1500 J +(- 600 J) = 900 J.
• Determinando primero la fuerza neta sobre el objeto a lo largo del desplazamiento: 
  F_(NETA)x= Fpcos - Fr
  y luego haciendo
  W_NETO = F_(NETA)xx = (Fpcos - Fr)x 
  = (100 Ncos60º - 20 N)(30 m) = 900 J.

Volviendo al tema de la energía, un objeto en movimiento tiene la capacidad de efectuar trabajo, y por lo tanto se dice que tiene energía. Por ejemplo un martillo en movimiento efectúa trabajo en el clavo sobre el que pega. En este ejemplo, un objeto en movimiento ejerce una fuerza sobre un segundo objeto y lo mueve cierta distancia.Esta energía de movimiento se llama Energía Cinética.

Energía Potencial: presionar este enlace Energía Potencial.