Guía de estudio - Física PDF

DE NIVEL MEDIO SUPERIOR 1 El Movimiento. La descripción de los cambios en la naturaleza 1.1 Conceptos de Velocidad y Rapidez La rapidez indica el movimiento de un objeto entre dos posiciones; es la razón de cambio de la posición en una unidad de tiempo. La velocidad, es un vector, ya que para definirla es necesario especificar su tamaño (equivalente a la rapidez) y su dirección. En física es importante distinguir la rapidez (magnitud escalar) de la velocidad (magnitud vectorial), para calcular la rapidez de un objeto medimos la distancia que se mueve y el tiempo que tarda en recorrerla, después dividimos la distancia entre el tiempo. Para determinar la velocidad, necesitamos además determinar la dirección del desplazamiento. La unidad en que se mide la rapidez es n y la velocidad está dada por la unidad de la distancia dividida entre la unidad del tiempo, es decir, m/s (en unidades del SI). Link: http://cienciasdos.es.tl/Velocidad-y-Rapidez.htm 1.2 Tipos de Movimientos de los objetos en graficas de posición-tiempo Una parte de la ciencia de la física es la medida de los objetos que se mueven. Esto incluye trazar la posición, la velocidad y la aceleración del objeto, además de otros datos relevantes. La representación gráfica de una forma de movimiento puede llevar a gráficas de otras. Por ejemplo, la gráfica velocidad tiempo se dice que deriva de la gráfica posición tiempo. Las representaciones gráficas de movimiento se relacionan con la pendiente de cada gráfica. Decimos que un cuerpo está en movimiento cuando su posición cambia respecto de otro objeto o punto de referencia. Este objeto o punto será el sistema de referencia del movimiento. Generalmente, como sistema de referencia se utilizan ejes de coordenadas imaginarios en que se especifica el lugar en el cual está el origen de coordenadas. La trayectoria es la línea imaginaria que describe un cuerpo al desplazarse. Esta línea la formas las posiciones por las cuales ha pasado el cuerpo en su movimiento. La trayectoria la podemos clasificar en: - Rectilínea: línea recta - Curvilínea: describe una línea curva - Circular: describe una circunferencia. En la gráfica del ejemplo, no dice que: -en t =0 el cuerpo se encuentra en Xo = 0 m (no se ha movido) -en t =2 el cuerpo se encuentra en X1 = 20 m -en t =4 el cuerpo se encuentra en X2 = 20 m (es decir no se ha movido de 2 a 4 seg.) -en t =6 el cuerpo se encuentra en X3 = 40 m -en t =10 el cuerpo se encuentra en X4 = 0 m (vuelve a donde salió) 1.3 Gráfica posición-tiempo La gráfica posición-tiempo es utilizada en física para describir el movimiento de un objeto en un periodo de tiempo determinado. El tiempo, en segundos, es convencionalmente trazado en el eje de las "x" y la posición del objeto, en metros, se traza sobre el eje de las "y". La pendiente de la gráfica posición-tiempo revela información importante sobre la velocidad del objeto. En la gráfica del ejemplo, no dice que: -en t =0 el cuerpo se encuentra en Xo = 0 m (no se ha movido) -en t =2 el cuerpo se encuentra en X1 = 20 m -en t =4 el cuerpo se encuentra en X2 = 20 m (es decir no se ha movido de 2 a 4 seg.) -en t =6 el cuerpo se encuentra en X3 = 40 m -en t =10 el cuerpo se encuentra en X4 = 0 m (vuelve a donde salió) Pendiente de la gráfica posición-tiempo La pendiente de una gráfica posición-tiempo revela el tipo de velocidad que lleva un objeto durante su movimiento. Si la pendiente es constante, esto indica que la velocidad es constante. Una gráfica posición- tiempo con una pendiente que varía indica una velocidad que cambia. La dirección de la pendiente en una gráfica posición-tiempo indica el signo de la velocidad. Por ejemplo, si va hacia abajo, de izquierda a derecha, la velocidad es negativa. Gráfica velocidad-tiempo La gráfica velocidad-tiempo de un objeto revela la rapidez con la que un objeto se mueve en un tiempo dado y si está frenando o acelerando. El tiempo, en segundos, se suele trazar en el eje de las "x", mientras que la velocidad, en metros por segundo, es usualmente trazada sobre el eje de las "y". Los objetos que se mueven de forma constante en una gráfica velocidad-tiempo forman una línea recta. Los objetos que se mueven con rapidez variable tienen pendiente, y gráficas de velocidad lineales. Pendiente de la gráfica velocidad-tiempo La pendiente de la gráfica velocidad-tiempo revela la aceleración de un objeto. Si la gráfica es una línea horizontal, la aceleración es 0. Esto significa que el objeto está en reposo o bien moviéndose a velocidad constante, sin acelerar ni frenar. Si la pendiente es positiva, entonces es que la aceleración aumenta. Si la pendiente es negativa, es que la aceleración disminuye. 1.4 Velocidad, desplazamiento y tiempo El espacio recorrido por unidad de tiempo se denomina velocidad del movimiento. Cuando el desplazamiento tiene lugar en una línea recta, la velocidad se denomina lineal. La velocidad lineal media de un punto móvil es igual al cociente entre el espacio medio recorrido entre las posiciones 1 y 2 y el tiempo transcurrido. La velocidad que posee un cuerpo en un momento dado, se llama instantánea y se expresa como: En física, el desplazamiento, es el cambio de posición de un cuerpo entre dos instantes o tiempos bien definidos. El tiempo y el espacio Dos magnitudes elementales de la física son el espacio y el tiempo. Íntimamente relacionados, el tiempo (t) permite ordenar los sucesos físicos en una escala que distingue entre pasado, presente y futuro, mientras que el espacio (s) puede verse como un medio abstracto en el que se desplazan los cuerpos. Se describe normalmente mediante tres coordenadas que corresponden a la altura, la anchura y la profundidad. En la física clásica, se considera que el tiempo transcurre siempre de manera uniforme, y que el espacio es un medio indeformable que subyace a toda realidad física. Sin embargo, la mecánica relativista sostiene que tanto el tiempo como el espacio no son magnitudes fijas, sino que su medida depende de la velocidad de desplazamiento que experimente el observador con respecto a unos ejes fijos tomados como referencia. Sistema de referencia físico, formado por tres ejes cartesianos espaciales (altura, anchura y profundidad) y un eje temporal 1.5 El movimiento con velocidad variable: la aceleración De la definición de velocidad se deduce se deduce que para tener una velocidad constante se requiere que tanto la rapidez como la dirección sean constantes. Rapidez constante significa que el movimiento conserva la misma rapidez, es decir, el objeto no se mueve ni más aprisa ni más lentamente. Dirección constante significa que el movimiento sigue una línea recta: la trayectoria del objeto no se curva. El movimiento a velocidad constante es un movimiento en línea recta y con rapidez constante. Un cuerpo que se mueve en una trayectoria circular puede tener rapidez constante, pero no velocidad constante, ya que la dirección del movimiento cambia a cada instante. Velocidad variable Si la rapidez o la dirección (o ambas) cambian, entonces, la velocidad cambia. No es lo mismo rapidez constante que velocidad constante. Si un cuerpo se desplaza con rapidez constante a lo largo de una trayectoria curva, por ejemplo, no se mueve a velocidad constante porque su dirección cambia a cada instante. Un auto tiene tres mandos que sirven para cambiar la velocidad. Uno es el acelerador, que se usa para mantener o aumentar la rapidez. El segundo es el freno, que sirve para reducir la rapidez. El tercero es el volante, con la cual se modifica la dirección. Aceleración Podemos modificar el estado de movimiento de un objeto cambiando su rapidez, su dirección de movimiento, o ambas cosas. Cualquiera de estos cambios constituye un cambio de velocidad. En ocasiones nos interesa saber que tan aprisa cambia la velocidad. Un conductor que quiere adelantar a otro auto en una carretera de dos carriles desearía ser capaz de aumentar su rapidez y adelantarlo en el menor tiempo posible. La razón de cambio de la velocidad se conoce como aceleración aceleración. Puesto que la aceleración es una razón de cambio, es una medida de cómo cambia la velocidad respecto al tiempo. Aceleración = cambio de velocidad / intervalo de tiempo Todos conocemos bien los efectos de la aceleración en un automóvil. Si el conductor oprime el pedal que, adecuadamente se llama acelerador, los pasajeros experimentan entonces una aceleración y sienten una presión que los empujan hacia los asientos. La definición de la aceleración es el cambio. Siempre que cambiamos el estado de movimiento estamos acelerando. Un auto con una buena aceleración es capaz de cambiar su velocidad rápidamente. Un vehículo que puede pasar de cero a 60 Km/h en 5 segundos tiene una aceleración mayor que otro auto que pasa de cero a 80 km/h en 10 segundos. Así pues, tener buena aceleración significa ser capaz de cambiar de velocidad en un tiempo corto y no se refiere a que tan rápido se mueve un objeto. Un automóvil acelera siempre que se produce un cambio en su estado de movimiento En física el término aceleración se aplica tanto a los aumentos como a las disminuciones de rapidez. Los frenos de un auto pueden producir grandes aceleraciones retardantes. Los frenos de un auto pueden producir grandes aceleraciones retardantes, esto es, pueden producir un gran decremento por segundo de su rapidez. A esto se le suele llamar desaceleración o aceleración negativa. Experimentamos una desaceleración cuando el conductor del autobús o un auto aplica los frenos de improviso y tendemos a inclinarnos hacia adelante. El término aceleración se aplica tanto a cambios de rapidez como a cambios de dirección. Si recorres una curva con una rapidez constante de 50 km/h, sientes los efectos de la aceleración como una tendencia a inclinarte hacia el exterior de la curva. Puedes recorrer la curva con rapidez constante, pero tu velocidad, pero tu velocidad no es constante porque tu dirección cambia a cada instante. Tu estado de movimiento cambia; es decir, estás acelerando. Ahora puedes ver por qué es importante distinguir entre rapidez y velocidad, y por qué la aceleración se define como una razón de cambio de velocidad, no de rapidez. La aceleración, como la velocidad es direccional. Si modificamos la rapidez o la dirección, o ambas cambiamos de velocidad y aceleramos. Cuando se estudia los movimientos rectilíneos es común emplear la palabra rapidez y velocidad de manera indistinta. Cuando la dirección no cambia, la aceleración se puede expresar como la razón de cambio de la rapidez. Aceleración (a lo largo de una línea recta) = cambio de rapidez / intervalo de tiempo La rapidez y la velocidad se miden en unidades de distancia por tiempo. Las unidades de aceleración son un poco más complicadas. Puesto que la aceleración es el cambio de velocidad o de rapidez por intervalo de tiempo, se expresa en unidades de velocidad entre tiempo. Si aumentamos nuestra rapidez, sin cambiar de dirección, de cero a 10 km/h en 1 segundo, nuestro cambio de velocidad es de 10 km/h en un intervalo de tiempo de 1 segundo. Nuestra aceleración, a lo largo de una línea recta, es entonces aceleración = cambio de rapidez /intervalo de tiempo=10 km/h / 1s = 10 km/hrs. La aceleración es de 10 km/hrs. (que se lee "10 kilómetros por hora-segundo"). Observa que la unidad de tiempo aparece dos veces: una vez por la unidad de rapidez y otra más por el intervalo de tiempo en el cual cambia la rapidez. Link: http://fisicainteractiva.galeon.com/cine3.htm 1.6 El movimiento de los cuerpos que caen La caída libre es un caso particular del movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, es cuando un cuerpo se le deja caer libremente en la cercanía de la superficie del planeta. Un cuerpo que se deja caer en el vacío, se desplaza en línea recta vertical con una aceleración constante, la cual se conoce como gravedad (g), lo que produce que el módulo de la velocidad aumente uniformemente en el transcurso de su caída. Características de este movimiento: *En el vació todos los cuerpos caen con trayectoria vertical *Todos los cuerpos en el vació caen con la misma aceleración *Todos los cuerpos dejados caer en el vació tardan el mismo tiempo en recorrer la misma altura. *Todos los cuerpos dejados caer en el vació tardan el mismo tiempo en alcanzar la misma velocidad *Todos los cuerpos dejados caer en el vació tienen velocidad inicial igual a 0 *Todos los cuerpos dejados libremente en el vació caen. Porque son atraídos por la tierra. La fuerza con que la tierra atrae un cuerpo es el peso La aceleración del movimiento de caída libre de los cuerpos es la aceleración de gravedad. El valor de la gravedad al nivel del mar con una latitud de 45ª es de 9,81m/seg² El valor de la gravedad máxima esta en los polos y disminuye a medida que nos acercamos al ecuador terrestre. Ecuaciones del movimiento de caída libre: Si la velocidad es diferente a cero: Vf² = Vo² + 2 g y Vf =Vo + g y Y =Vo t + g t² / 2 Si la velocidad es igual a 0, las ecuaciones quedarían así: Vf² = 2 g y Vf = g t Y = g t² / 2 Para calcular la altura la cual se encuentra del suelo: Ys = Yo - Yf --------------------------------------------------------------------------- Vf = Velocidad final Vo = Velocidad inicial g = Gravedad (9.8 m/seg²) Y = Altura t = Tiempo Ys = Altura del suelo ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------- EJERCICIOS: -Desde lo alto de un edificio se deja caer una piedra, la cual tarda 5s en llegar al suelo. Calcula la altura del edificio -Desde una altura de 100m se deja caer libremente un cuerpo, calcula. a) La rapidez que lleva a los dos segundos del movimiento. b) La altura que se encuentra del suelo en ese movimiento. Link: https://www.youtube.com/watch?v=IKn9NvY_WK 2 La Fuerza. La explicación de los cambios 2.1 Fuerza resultante Si sobre un punto actúan varias fuerzas, las mismas se pueden sumar de forma vectorial (como suma de vectores) obteniendo una fuerza resultante, es decir equivalente a todas las demás. Si la resultante de fuerzas es igual a cero, el efecto es el mismo que si no hubiera fuerzas aplicadas: el cuerpo se mantiene en reposo o con movimiento rectilíneo uniforme, es decir que no se modifica su velocidad. En la mayoría de los casos no tenemos las coordenadas de los vectores sino que tenemos su módulo y el ángulo con el que la fuerza está aplicada. Para sumar las fuerzas en este caso es necesario descomponerlas proyectándolas sobre los ejes y luego volver a componerlas en una resultante (composición y descomposición de fuerzas). Fuerza equilibrante Se llama fuerza equilibrante a una fuerza con mismo módulo y dirección que la resultante (en caso de que sea distinta de cero) pero de sentido contrario. Es la fuerza que equilibra el sistema. Sumando vectorialmente a todas las fuerzas (es decir a la resultante) con la equilibrante se obtiene cero, lo que significa que no hay fuerza neta aplicada. Link: http://www.fisicapractica.com/resultante-equilibrante.php 2.2 Las Leyes de Newton en la vida cotidiana Primera ley de Newton o Ley de la inercia La primera ley del movimiento rebate la idea aristotélica de que un cuerpo sólo puede mantenerse en movimiento si se le aplica una fuerza. Newton expone que: Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él. Esta ley postula, por tanto, que un cuerpo no puede cambiar por sí solo su estado inicial, ya sea en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, a menos que se aplique una fuerza o una serie de fuerzas cuyo resultante no sea nulo sobre él. Newton toma en cuenta, así, el que los cuerpos en movimiento están sometidos constantemente a fuerzas de roce o fricción, que los frena de forma progresiva, algo novedoso respecto de concepciones anteriores que entendían que el movimiento o la detención de un cuerpo se debía exclusivamente a si se ejercía sobre ellos una fuerza, pero nunca entendiendo como está a la fricción. En consecuencia, un cuerpo con movimiento rectilíneo uniforme implica que no existe ninguna fuerza externa neta o, dicho de otra forma; un objeto en movimiento no se detiene de forma natural si no se aplica una fuerza sobre él. En el caso de los cuerpos en reposo, se entiende que su velocidad es cero, por lo que si esta cambia es porque sobre ese cuerpo se ha ejercido una fuerza neta. Ejemplo, para un pasajero de un tren, el interventor viene caminando lentamente por el pasillo del tren, mientras que para alguien que ve pasar el tren desde el andén de una estación, el interventor se está moviendo a una gran velocidad. Se necesita, por tanto, un sistema de referencia al cual referir el movimiento. La primera ley de Newton sirve para definir un tipo especial de sistemas de referencia conocidos como Sistemas de referencia inerciales, que son aquellos sistemas de referencia desde los que se observa que un cuerpo sobre el que no actúa ninguna fuerza neta se mueve con velocidad constante. En realidad, es imposible encontrar un sistema de referencia inercial, puesto que siempre hay algún tipo de fuerzas actuando sobre los cuerpos, pero siempre es posible encontrar un sistema de referencia en el que el problema que estemos estudiando se pueda tratar como si estuviésemos en un sistema inercial. En muchos casos, por ejemplo, suponer a un observador fijo en la Tierra es una buena aproximación de sistema inercial. Lo anterior porque a pesar que la Tierra cuenta con una aceleración traslación y rotación estas son del orden de 0.01 m/s^2 y en consecuencia podemos considerar que un sistema de referencia de un observador dentro de la superficie terrestre es un sistema de referencia inercial. Segunda ley de Newton o Ley de fuerza La segunda ley del movimiento de Newton dice que: El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime. Esta ley explica qué ocurre si sobre un cuerpo en movimiento (cuya masa no tiene por qué ser constante) actúa una fuerza neta: la fuerza modificará el estado de movimiento, cambiando la velocidad en módulo o dirección. En concreto, los cambios experimentados en el momento lineal de un cuerpo son proporcionales a la fuerza motriz y se desarrollan en la dirección de esta; las fuerzas son causas que producen aceleraciones en los cuerpos. Consecuentemente, hay relación entre la causa y el efecto, la fuerza y la aceleración están relacionadas. Dicho sintética mente la fuerza se define simplemente en función del momento en que se aplica a un objeto, con lo que dos fuerzas serán iguales si causan la misma tasa de cambio en el momento del objeto. En términos matemáticos esta ley se expresa mediante la relación: Dónde: Es el momento lineal la fuerza total o fuerza resultante. Suponiendo que la masa es constante y que la velocidad es muy inferior a la velocidad de la luz la ecuación anterior se puede rescribir de la siguiente manera: Sabemos que es el momento lineal, que se puede escribir mv donde m es la masa del cuerpo y v su velocidad. Consideramos a la masa constante y podemos escribir aplicando estas modificaciones a la ecuación anterior: Que es la ecuación fundamental de la dinámica, donde la constante de proporcionalidad, distinta para cada cuerpo, es su masa de inercia. Veamos lo siguiente, si despejamos m de la ecuación anterior obtenemos que m es la relación que existe entre y. Es decir, la relación que hay entre la fuerza aplicada al cuerpo y la aceleración obtenida. Cuando un cuerpo tiene una gran resistencia a cambiar su aceleración (una gran masa) se dice que tiene mucha inercia. Es por esta razón por la que la masa se define como una medida de la inercia del cuerpo. Por tanto, si la fuerza resultante que actúa sobre una partícula no es cero, esta partícula tendrá una aceleración proporcional a la magnitud de la resultante y en dirección de ésta. La expresión anterior así establecida es válida tanto para la mecánica clásica como para la mecánica relativista, a pesar de que la definición de momento lineal es diferente en las dos teorías: mientras que la dinámica clásica afirma que la masa de un cuerpo es siempre la misma, con independencia de la velocidad con la que se mueve, la mecánica relativista establece que la masa de un cuerpo aumenta al crecer la velocidad con la que se mueve dicho cuerpo. De la ecuación fundamental se deriva también la definición de la unidad de fuerza o newton (N). Si la masa y la aceleración valen 1, la fuerza también valdrá 1; así, pues, el newton es la fuerza que aplicada a una masa de un kilogramo le produce una aceleración de 1 m/s². Se entiende que la aceleración y la fuerza han de tener la misma dirección y sentido. La importancia de esa ecuación estriba sobre todo en que resuelve el problema de la dinámica de determinar la clase de fuerza que se necesita para producir los diferentes tipos de movimiento: rectilíneo uniforme (m.r.u), circular uniforme (m.c.u) y uniformemente acelerado (m.r.u.a). Si sobre el cuerpo actúan muchas fuerzas, habría que determinar primero el vector suma de todas esas fuerzas. Por último, si se tratase de un objeto que cayese hacia la tierra con una resistencia del aire igual a cero, la fuerza sería su peso, que provocaría una aceleración descendente igual a la de la gravedad. Tercera ley de Newton o Ley de acción y reacción Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto. La tercera ley de Newton es completamente original (pues las dos primeras ya habían sido propuestas de otras maneras por Galileo, Hooke y Huygens) y hace de las leyes de la mecánica un conjunto lógico y completo.8 Expone que por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo (empuje), este realiza una fuerza de igual intensidad, pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma, las fuerzas, situadas sobre la misma recta, siempre se presentan en pares de igual magnitud y de dirección, pero con sentido opuesto. Este principio presupone que la interacción entre dos partículas se propaga instantáneamente en el espacio (lo cual requeriría velocidad infinita), y en su formulación original no es válido para fuerzas electromagnéticas puesto que estas no se propagan por el espacio de modo instantáneo sino que lo hacen a velocidad finita "c". Es importante observar que este principio de acción y reacción relaciona dos fuerzas que no están aplicadas al mismo cuerpo, produciendo en ellos aceleraciones diferentes, según sean sus masas. Por lo demás, cada una de esas fuerzas obedece por separado a la segunda ley. Junto con las anteriores leyes, ésta permite enunciar los principios de conservación del momento lineal y del momento angular. Link: http://sandra17chocolatita.blogspot.mx/2012/12/primera-segunda-tercera-leyes-de-newton.html 2.3 Par de fuerzas Un par de fuerzas es un sistema de dos fuerzas paralelas, de igual intensidad y de sentido contrario, que produce un movimiento de rotación. Cuando alguien utiliza una llave para quitar la rueda de un coche (automóvil), aplica dos fuerzas iguales y de sentido contrario. Se observa que la llave no experimenta movimiento de traslación alguno, es decir, no se desplaza, pero sí gira bajo la acción del par de fuerzas. Un par de fuerzas produce un movimiento de rotación. Aunque la resultante de las fuerzas del par es nula ( R = F1 – F2 = 0 ), sin embargo, los momentos de cada fuerza del par, con respecto al punto E , suman su capacidad de producir un giro , por ello el efecto de un par de fuerzas es producir una rotación. El volante (manubrio) de un carro (automóvil) es una aplicación práctica de un par de fuerzas. También lo son las regaderas que se usan en los jardines para regar el césped. Entonces, diremos que un par de fuerzas… es un sistema formado por dos fuerzas de la misma intensidad o módulo, pero de dirección contraria, capaces de producir en su momento una rotación. Sacamos los pernos apoyados en un par de fuerzas. Entonces, un par de fuerzas queda caracterizado por su momento (M). El valor del momento de un par de fuerzas es igual al producto de una de las fuerzas por la distancia que las separa: Esto es, M = F1d = F2d La distancia que separa las fuerzas recibe el nombre de brazo del par Ejemplo: Calcular el valor del momento de un par de fuerzas cuya intensidad es 5 N si el brazo del par mide 2 m. Solución: M = F d = 5N 2m = 10Nm Ejemplos comunes de pares de fuerza En nuestra vida cotidiana encontramos numerosos aparatos o realizamos movimiento que se hacen aplicando un par de fuerzas. Entre otros tenemos: Destornillador Sacacorchos Apertura o cierre de una llave (grifo) Ajustador de brocas de un taladro. Batidora manual Volante de un vehículo Link: http://www.profesorenlinea.com.mx/fisica/Fuerzas_Par_de.html 2.4 Las fuerzas que actúan sobre los objetos en reposo o en movimiento Fuerza es toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo o de producirle una deformación. La Unidad de Fuerza en el Sistema Internacional es el Newton Las fuerzas tienen un nombre según las causas que las originan: - Peso: se debe a la interacción entre un cuerpo cualquiera y la Tierra - Fuerza Elástica: es la fuerza de recuperación de un muelle cuando lo estiramos - Fuerza Magnética: es la fuerza causada por la interacción entre un trozo de hierro y un imán Existen fuerzas en la que no hay contacto entre cuerpos, por ejemplo, la fuerza de atracción de la Tierra, o la fuerza de atracción de un imán. Por lo tanto, podemos distinguir entre Fuerzas de contacto y fuerzas a distancia, en definitiva, son dos casos particulares de otras interacciones: las Fuerzas Fundamentales del Universo. Fuerzas y deformaciones de los cuerpos Las fuerzas pueden deformar los cuerpos y su comportamiento ante las deformaciones es muy distinto. (el hierro es más rígido que la resina, y un muelle recupera su forma inicial cuando la fuerza deja de actuar). Podemos clasificar los materiales según responden ante las fuerzas, de la siguiente manera: - Rígidos. No se modifica la forma cuando actúa sobre ellos una fuerza - Elásticos. Recuperan la forma original cuando deja de actuar la fuerza que los deforma - Plásticos. Al cesar la fuerza que los deforma, los materiales no recuperan la forma primitiva y quedan deformados permanentemente. La elasticidad es una propiedad de la materia que permite a los cuerpos deformarse cuando están sometidos a una fuerza y recuperan la forma inicial cuando la causa de la deformación desaparece. Existe un límite de elasticidad, que si se sobrepasa, un cuerpo deja de ser elástico y por lo tanto quedaría deformado permanentemente. Este límite depende de cada cuerpo y de cada sustancia. Límite de ruptura, que es la fuerza máxima que ha de soportar un cuerpo determinado sin romperse La plasticidad es la propiedad por la cual determinados cuerpos adquieren deformaciones permanentes cuando deja de actuar sobre estos la fuerza que los deforma. Es la propiedad contraria a la elasticidad. Ley de Hooke En el siguiente ejemplo vamos a calcular la relación cuantitativa que existe entre la fuerza aplicada y la deformación del muelle. Vamos a colgar del muelle de la figura diferentes pesos y vamos a tomar medida del alargamiento del muelle. Suponemos que una vez hecha la experiencia que acabamos de describir hemos obtenido los resultados siguientes: Fuerza F(N) 100 200 300 400 500 Alargamiento 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 Observamos que el cociente presenta un valor constante: Este cociente recibe el nombre de constante elástica K, que en el Sistema Internacional es medida en Newton por metro (N/m) y depende de las características particulares de cada muelle. Podemos establecer esta relación: O bien: Esta expresión es conocida como la Ley de Hooke y se puede enunciar así: La deformación de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza que lo produce. Medida de las fuerzas Para medir la intensidad de las fuerzas se utiliza el dinamómetro, formado por un muelle que de acuerdo con la ley de Hooke, se alarga al ser sometido a una fuerza. El muelle lleva adosada una escala graduada que permite medir directamente la fuerza, ya que, como acabamos de ver hay una relación de proporcionalidad entre la fuerza aplicada y el alargamiento del muelle. -Dos fuerzas tienen el mismo valor si, aplicadas a un mismo muelle producen igual deformación. -Una fuerza es n veces más grande que otra si, aplicada al mismo muelle causa una deformación n veces más grande que la originada por la otra. El Vector Fuerza Las magnitudes escalares son aquellas que quedan claramente especificadas mediante la indicación de su valor y la unidad en que se expresan. Así cuando decimos que una pesa de tela mide 25 m de largo o que un recipiente contiene 11 L de agua, ambas magnitudes están perfectamente especificadas y no es necesaria más información. Para medir una fuerza es necesario especificar su valor y las unidades en que se mide, y además el lugar donde se aplica, su dirección y su sentido en que actúa. Aquellas magnitudes que para su determinación además de su valor numérico requiere que se asigne una dirección y un sentido se llaman magnitudes vectoriales. Estas magnitudes se representan mediante vectores, que son segmentos rectilíneos con un origen y un extremo terminado en punta de flecha y que constan de los siguientes elementos: - Intensidad: es el valor numérico o modulo del vector. Indica su longitud - Dirección: es dada por la recta que soporta el vector - Sentido: toda dirección tiene dos sentidos opuestos. La punta de la flecha señala el sentido correspondiente al vector. - Punto de Aplicación: es el punto desde donde arranca el vector. En el caso del vector Fuerza es el lugar donde se aplica ésta. Equilibrio de Fuerzas Sistema de Fuerzas: son diversas las fuerzas que actúan al mismo tiempo sobre un cuerpo. Cada una de estas fuerzas es un componente del sistema. Fuerza resultante aquella que puede remplazar todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo, y producen el mismo efecto. Un cuerpo rígido esta en equilibrio cuando está en reposo o cuando se mueve con un movimiento rectilíneo y uniforme. Es decir, la resultante de todas las fuerzas aplicadas al cuerpo es nula. Los principios del equilibrio de los cuerpos que pueden enunciarse así: - Una fuerza que actúa sola sobre un cuerpo no produce equilibrio (A) - Dos fuerzas iguales y opuestas que actúan en la misma línea de acción producen equilibrio (B) - En un cuerpo en equilibrio, cada fuerza es igual y opuesta a la resultante de todas las otras (C). Composición de las fuerzas La composición de las fuerzas es la operación que consiste en determinar la fuerza resultante de la acción de las otras. Fuerzas de igual dirección y sentido La resultante tiene esa misma dirección y ese mismo sentido, y su intensidad es la suma de las intensidades. Fuerzas de la misma dirección y sentido contrario La resultante tiene la misma dirección, pero su sentido será el mismo que la fuerza que actúa con más intensidad. Su módulo será la diferencia de los módulos de las fuerzas componentes. Fuerzas concurrentes Las fuerzas concurrentes son aquellas que se cortan, estas o sus prolongaciones, en un punto. La fuerza resultante de dos fuerzas concurrentes se calcula aplicando la regla del Paralelogramo, según la cual, la dirección y el sentido de la resultante son los de la diagonal del paralelogramo que está formado por las fuerzas concurrentes y sus paralelas. Si las dos fuerzas concurrentes tienen direcciones perpendiculares, el módulo de la resultante se puede calcular aplicando el teorema de Pitágoras: Composición de fuerzas paralelas en distintos puntos de aplicación: La resultante de dos fuerzas paralelas del mismo sentido y con diferente punto de aplicación es una fuerza paralela a estas y con el mismo sentido. Su módulo es igual a la suma de los módulos de estas, y su punto de aplicación está situado entre estas y divide al módulo que las une en partes inversamente proporcional a sus módulos. La resultante de dos fuerzas paralelas de sentidos contrarios y con distinto punto de aplicación es una fuerza paralela a estas, su sentido es el de la más grande, su módulo es igual a la diferencia de los módulos, y su punto de aplicación es exterior al segmento que las une y corta la recta que contiene este segmento en un punto, la distancia del cual a los puntos de aplicación de las fuerzas, es inversamente proporcional a los módulos de estas. Descomposición de las Fuerzas Cualquier fuerza física podemos descomponerla en la suma de dos fuerzas o más, dirigidas en dos direcciones distintas. Si elegimos dos direcciones perpendiculares (X, Y), cada componente se determina construyendo la proyección perpendicular del vector que representa la fuerza sobre la dirección correspondiente tal y como se muestra en la figura. Según la regla del paralelogramo 2.5 Ley de gravitación universal y el peso de los objetos Galileo demostró que todos los cuerpos caen en las proximidades de la superficie terrestre con la misma aceleración. Los tripulantes del Apolo XV (David R. Scott) hicieron un experimento inspirado en Galileo. Scott dejó caer un martillo y una pluma en la superficie lunar y los dos objetos, de masa diferente, cayeron simultáneamente con la misma aceleración. Puedes verlo en el vídeo de la NASA. Galileo no sabía por qué ocurría esto. Fue Newton quien al formular su segunda ley lo resolvió. La fuerza que actúa sobre un cuerpo que cae (su peso) es proporcional a la masa, por tanto: Donde g es la aceleración de caída de los cuerpos, aceleración de la gravedad. Newton formuló la Ley de Gravitación Universal, en la que estableció que todos los cuerpos se atraen por el sólo hecho de poseer masa. Ley de Gravitación Universal: La fuerza de atracción entre dos cuerpos es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. G es una constante universal medida por Henry Cavendish en el siglo XVIII, de valor 6,67.10-11 N m2 kg-2. Si uno de los cuerpos es la Tierra, la fuerza de atracción gravitatoria es su peso y por tanto: Donde m' y d son la masa y la distancia desde el centro de la Tierra al cuerpo respectivamente. Imagen 30 de elaboración propia d = RTierra + h (altura sobre la superficie de la Tierra). En los puntos cercanos a la superficie de la Tierra “d” es aproximadamente el radio de la Tierra. Así pues, el valor de g (aceleración de caída de los cuerpos) depende de la masa y del radio de la Tierra y vale 9,8 m/s2, pero sería distinto si la masa y el radio fueran distintos. En la Luna los cuerpos caen con una aceleración diferente. En la simulación puedes ver de una manera sencilla que la fuerza gravitatoria depende de la masa (cambia el satélite) y de la distancia (mueve con el ratón el satélite). Link:http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1151/html/23_peso_y_masa__ley_ de_gravitacin_universal.html 2.6 La energía y la descripción de las transformaciones La Energía se encuentra en constante transformación, pasando de unas formas a otras. La energía siempre pasa de formas más útiles a formas menos útiles. Por ejemplo, en un volcán la energía interna de las rocas fundidas puede transformarse en energía térmica produciendo gran cantidad de calor; las piedras lanzadas al aire y la lava en movimiento poseen energía mecánica; se produce la combustión de muchos materiales, liberando energía química; etc. Principio de la conservación de la energía 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. Degradación de la energía Unas formas de energía pueden transformarse en otras. En estas transformaciones la energía se degrada, pierde calidad. En toda transformación, parte de la energía se convierte en calor o energía calorífica. Cualquier tipo de energía puede transformarse íntegramente en calor; pero, éste no puede transformarse íntegramente en otro tipo de energía. Se dice, entonces, que el calor es una forma degradada de energía. Son ejemplos: La energía eléctrica, al pasar por una resistencia. La energía química, en la combustión de algunas sustancias. La energía mecánica, por choque o rozamiento. Se define, por tanto, el Rendimiento como la relación (en % por ciento) entre la energía útil obtenida y la energía aportada en una transformación. Trabajo Instintivamente, por trabajo, entendemos todo tipo de actividad o esfuerzo humano. ¿Nos conformamos con tal idea? En absoluto, dentro del campo de la Física, no nos vale el concepto así concebido. El mecánico, el electricista, el proyectista etc. tienen un sentido más concreto de la palabra «trabajo»; les representa algo más. Saben que, para que exista trabajo, se necesita la acción de una fuerza y, al mismo tiempo, que esta provoque un desplazamiento del cuerpo, o de los componentes del mismo, sobre el cual actúa. Ejemplo: - En un circuito eléctrico se puede disponer de una fuerza electromotriz pero, si el interruptor está abierto, no existe desplazamiento de electrones, lo que motiva que no se produzca un trabajo en cualquiera de los receptores acoplados. Nos explicamos en los términos siguientes, TRABAJO ES EL PRODUCTO DEL VALOR DE UNA FUERZA, APLICADA SOBRE UN CUERPO, POR EL VALOR DEL ESPACIO RECORRIDO POR DICHO CUERPO. Y solamente se produce trabajo cuando se cumple la condición de desplazamiento. También podernos decir que, se origina trabajo, siempre que una fuerza desplaza su punto de aplicación; o que, trabajo, es el efecto conseguido al ser trasladado un cuerpo por la acción de una fuerza ejercida sobre el mismo. Recordemos al científico escribiendo y moviendo el útil de escritura por la acción de la fuerza que, sobre dicho útil, ejerce su mano. Ese sería su trabajo puramente físico. Inicialmente, el trabajo se obtiene como consecuencia de la presencia de una fuerza, y ésta, a su vez, proviene de la energía. Además, no olvidemos una de las definiciones de la energía... «Es la capacidad que posee la materia para poder producir... TRABAJO». Vemos cómo los conceptos de energía, fuerza y trabajo se relacionan. En base a tal relación, y considerando conjuntamente dichos conceptos, podemos reseñar que la palabra trabajo se refiere a la transmisión de energía, transmisión que se produce cuando una fuerza se aplica a un cuerpo, provocando el movimiento del mismo. El trabajo se representa por la letra T. Fórmula: Según las definiciones expuestas, se tiene que: T = F*e* cos a en la que: T = trabajo en Julios. F = fuerza en Newton. e = espacio recorrido por el cuerpo en m. a = ángulo formado por la dirección de la fuerza aplicada y la trayectoria seguida por el cuerpo. Cuando ambas coinciden a=0 y cos a = 1. Ver figura 9. El trabajo se mide en las mismas unidades que la energía, siendo una de ellas el kilográmetro (kgm), de tal modo que 1 kgm = 9,8 J. 2.7 La energía y la descripción de las transformaciones La energía Energía es la capacidad de realizar trabajos, fuerzas y movimientos. Solo podemos observar sus efectos, ya que es invisible pero no por eso menos importante, sino todo lo contrario, esta permite que suceda casi todo en el universo: La vida, una luz, una corriente eléctrica, la carrera de un auto, Una llama, Un ruido o el viento. Obviamente la energía Nuclear. Según La ley de la conservación de la energía esta no se crea ni se destruye, solo se transforma. Hay muchos tipos de energías: Energía sintética, Energía lumínica, Energía sonora, Energía Nuclear etc. La Energía puede manifestarse de diferentes maneras: en forma de movimiento (cinética), de posición (potencial), de calor, de electricidad, de radiaciones electromagnéticas, etc. Según sea el proceso, la energía se denomina: · Energía térmica · Energía eléctrica · Energía radiante · Energía química · Energía nuclear Energía térmica La Energía térmica se debe al movimiento de las partículas que constituyen la materia. Un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura. Movimiento de las partículas en la materia en estado sólido Movimiento de las partículas en la materia en estado gaseoso La transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura se denomina calor. Energía eléctrica La Energía eléctrica es causada por el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de los materiales conductores. Esta energía produce, fundamentalmente, 3 efectos: luminoso, térmico y magnético. Ej.: La transportada por la corriente eléctrica en nuestras casas y que se manifiesta al encender una bombilla. Energía radiante La Energía radiante es la que poseen las ondas electromagnéticas como la luz visible, las ondas de radio, los rayos ultravioleta (UV), los rayos infrarrojo (IR), etc. La característica principal de esta energía es que se puede propagar en el vacío, sin necesidad de soporte material alguno. Ej.: La energía que proporciona el Sol y que nos llega a la Tierra en forma de luz y calor. Energía química La Energía química es la que se produce en las reacciones químicas. Una pila o una batería poseen este tipo de energía. Ej.: La que posee el carbón y que se manifiesta al quemarlo. La energía nuclear La Energía nuclear es la energía almacenada en el núcleo de los átomos y que se libera en las reacciones nucleares de fisión y de fusión, ej.: la energía del uranio, que se manifiesta en los reactores nucleares. Energía nuclear controlada en una central nuclear - Energía nuclear incontrolada en una bomba atómica. Energía nuclear de fisión La Fisión nuclear consiste en la fragmentación de un núcleo "pesado" (con muchos protones y neutrones) en otros dos núcleos de, aproximadamente, la misma masa, al mismo tiempo que se liberan varios neutrones. Los neutrones que se desprenden en la fisión pueden romper otros núcleos y desencadenar nuevas fisiones en las que se liberan otros neutrones que vuelven a repetir el proceso y así sucesivamente, este proceso se llama reacción en cadena. Energía nuclear de fusión La Fusión nuclear consiste en la unión de varios núcleos "ligeros" (con pocos protones y neutrones) para formar otro más "pesado" y estable, con gran desprendimiento de energía. Para que los núcleos ligeros se unan, hay que vencer las fuerzas de repulsión que hay entre ellos. Por eso, para iniciar este proceso hay que suministrar energía (estos procesos se suelen producir a temperaturas muy elevadas, de millones de ºC, como en las estrellas). Las fuentes de energía Son los recursos existentes en la naturaleza de los que la humanidad puede obtener energía utilizable en sus actividades. El origen de casi todas las fuentes de energía es el Sol, que "recarga los depósitos de energía". Las fuentes de energía se clasifican en dos grandes grupos: renovables y no renovables; según sean recursos "ilimitados" o "limitados". Fuentes de energía renovables Las Fuentes de energía renovables son aquellas que, tras ser utilizadas, se pueden regenerar de manera natural o artificial. Algunas de estas fuentes renovables están sometidas a ciclos que se mantienen de forma más o menos constante en la naturaleza. Existen varias fuentes de energía renovables, como son: Energía mareomotriz (mareas) Energía hidráulica (embalses) Energía eólica (viento) Energía solar (Sol) Energía de la biomasa (vegetación) Energía mareomotriz La Energía mareomotriz es la producida por el movimiento de las masas de agua provocado por las subidas y bajadas de las mareas, así como por las olas que se originan en la superficie del mar por la acción del viento. Ventajas: Es una fuente de energía limpia, sin residuos y casi inagotable. Inconvenientes: Sólo pueden estar en zonas marítimas, pueden verse afectadas por desastres climatológicos, dependen de la amplitud de las mareas y las instalaciones son grandes y costosas. Energía hidráulica La Energía hidráulica es la producida por el agua retenida en embalses o pantanos a gran altura (que posee energía potencial gravitatoria). Si en un momento dado se deja caer hasta un nivel inferior, esta energía se convierte en energía cinética y, posteriormente, en energía eléctrica en la central hidroeléctrica. Ventajas: Es una fuente de energía limpia, sin residuos y fácil de almacenar. Además, el agua almacenada en embalses situados en lugares altos permite regular el caudal del río. Inconvenientes: La construcción de centrales hidroeléctricas es costosa y se necesitan grandes tendidos eléctricos. Además, los embalses producen pérdidas de suelo productivo y fauna terrestre debido a la inundación del terreno destinado a ellos. También provocan la disminución del caudal de los ríos y arroyos bajo la presa y alteran la calidad de las aguas Link: http://energia-energy.blogspot.mx/ 2.7 La conservación de la energía mecánica La rama de la física que estudia y analiza el movimiento y reposo de los cuerpos, y su evolución en el tiempo, bajo la acción de fuerzas se denomina mecánica. En un cuerpo existen fundamentalmente dos tipos de energía que pueden influir en su estado de reposo o movimiento: la energía cinética y la potencial. Llamamos energía mecánica de un cuerpo a la suma de la energía cinética Ec y potencial Ep que posee: Em=Ec+Ep Es importante señalar que la energía potencial, de modo general, cuenta con distintas contribuciones. En este tema nos centraremos en la energía potencial gravitatoria y la energía potencial elástica. Ep=Epg+Epe Principio de Conservación de la Energía Mecánica La energía mecánica de un cuerpo se mantiene constante cuando todas las fuerzas que actúan sobre él son conservativas. Es probable que en numerosas ocasiones hayas oído decir que "la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma". En realidad, tal afirmación es uno de los principios más importantes de la Física y se denomina Principio de Conservación de la Energía. Vamos a particularizarlo para el caso de la energía mecánica. Para entender mejor este concepto vamos a ilustrarlo con un ejemplo. Imagina una pelota colgada del techo que cae sobre un muelle. Según el principio de conservación de la energía mecánica, la energía mecánica de la bola es siempre la misma y por tanto durante todo el proceso dicha energía permanecerá constante, tan solo cambiarán las aportaciones de los distintos tipos de energía que conforman la energía mecánica. Antes de caer, la energía mecánica de la bola está formada únicamente por energía potencial gravitatoria. Al caer y adquirir una velocidad, la energía potencial gravitatoria se convierte en energía cinética, dejando constante la energía mecánica. Por último, al impactar contra el muelle, lo comienza a comprimir, provocando que la energía mecánica se componga de energía cinética, energía potencial gravitatoria y energía potencial elástica. Comprobación del Principio de Conservación de la Energía Mecánica Para comprobar el principio de conservación de la energía mecánica razonamos de la siguiente manera: El teorema de la energía cinética establece que la variación de energía cinética ∆Ec entre dos puntos (la cual se traduce en una variación de su velocidad) que sufre un cuerpo es igual al trabajo realizado por la fuerza resultante que actua sobre el cuerpo entre los puntos inicial y final. Esto se cumple tanto si las fuerzas son conservativas como si no. W=ΔEc Por otro lado, en el caso de fuerzas conservativas, dicho trabajo coincide con la variación de energía potencial cambiada de signo. W=−ΔEp De lo anterior, y teniendo en cuenta que en ambos casos nos referimos al mismo trabajo, podemos escribir: ΔEc=−ΔEp⇒ΔEc+ΔEp=0 ⇒Δ(Ec+Ep)=0 ; ΔEm=0 Por tanto la energía mecánica no cambia, permanece constante Principio de Conservación de la Energía con Fuerzas no Conservativas En el caso general de que en nuestro sistema aparezcan fuerzas no conservativas, la energía mecánica no se conserva. Existen dos contribuciones para el trabajo total Wt: Trabajo de fuerzas conservativas Wc Trabajo de fuerzas no conservativas Wnc Por tanto: Wt=Wc+Wnc Si sobre un cuerpo actúan fuerzas conservativas y no conservativas, la variación de energía mecánica coincide con el trabajo realizado por las fuerzas no conservativas Wnc=ΔEm La fuerza de rozamiento es uno de los casos más destacados de fuerza no conservativa o disipativa. Imagina el caso sencillo en que lanzas una canica deslizándose por el suelo a cierta velocidad. Al cabo de un tiempo, esta acabará por pararse. La energía mecánica de la canica está formada únicamente por su energía cinética (Em=Ec+Ep ). Suponiendo la fricción con el aire despreciable, la fuerza de rozamiento, disipativa, va a ser la responsable de que nuestra canica vaya, poco a poco, perdiendo su energía mecánica (coincidente en este caso con la cinética). Comprobación del Principio de Conservación de la Energía en Presencia de Fuerzas No Conservativas Para comprobar el Principio de conservación de la energía mecánica razonamos de la siguiente manera: Wt=Wnc+Wc Por el Teorema de la Energía Cinética, Wt=ΔEc Por otro lado, las fuerzas conservativas cumplen que Wc=−ΔEp Wt=Wnc+Wc⇒ΔEc=Wnc−ΔEp⇒Δ⎛⎝⎜⎜Ec+Ep Em⎞⎠⎟⎟=Wnc⇒ΔEm=Wnc Choques Elásticos e Inelásticos El estudio de los choques en Física tiene un gran interés para distintos campos, como por ejemplo, el de la seguridad automovilística o el de la seguridad en las carreras de competición de fórmula 1. Según el principio de conservación del momento lineal, el momento lineal p→ del sistema se mantiene constante antes y después del choque. Podemos distinguir dos tipos de choques: Elásticos: Los cuerpos no sufren deformaciones. Todas las fuerzas son conservativas y por tanto se mantiene, además, la energía mecánica del conjunto. Suponiendo un choque entre dos bolas de masa m1 y m2 que viajan antes del choque a v→1 y v→2 respectivamente, y después del choque a v→´1 y v→´2 respectivamente, nos queda que se deben cumplir de forma simultánea las siguientes expresiones: m1⋅v→1+m2⋅v→2=m1⋅v→´1+m2⋅v→´212⋅m1⋅v12+12⋅m2⋅v22=12⋅m1⋅v´12+12⋅m2⋅v´22 Inelásticos: Los cuerpos sufren deformaciones. El principio de conservación del momento lineal se mantiene vigente. Sin embargo intervienen fuerzas no conservativas que hacen que la energía mecánica se disipe. Por tanto la energía cinética del sistema se disipa. Es el caso, por ejemplo, de las vallas elásticas de seguridad de algunos circuitos de competición. Link: https://www.fisicalab.com/apartado/energia-mecanica#contenidos 2.8 Cargas eléctricas y formas de electrización ¿Qué es la electrización? Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas, es decir, adquiere cargas eléctricas, se dice que ha sido electrizado. La electrización es uno de los fenómenos que estudia la electrostática. Para explicar cómo se origina la electricidad estática, hemos de considerar que la materia está hecha de átomos, y los átomos de partículas cargadas, un núcleo rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra (no electrizada), tiene el mismo número descargas positivas y negativas. Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros. Si un material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo en la serie Triboeléctrica. Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es más negativo en la serie triboeléctrica. Un ejemplo de materiales ordenados de más positivo a más negativa es el siguiente: Piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel, algodón, madera, ámbar, polyester, poliuretano, vinilo (PVC), teflón. El vidrio frotado con seda provoca una separación de las cargas porque ambos materiales ocupan posiciones distintas en la serie triboeléctrica, lo mismo se puede decir del ámbar y del vidrio. Cuando dos materiales no conductores entran en contacto uno de los materiales puede capturar electrones del otro material. La cantidad de carga depende de la naturaleza de los materiales (de su separación en la serie triboeléctrica), y del área de la superficie que entra en contacto. Otro de los factores que intervienen es el estado de las superficies, si son lisas o rugosas (entonces, la superficie de contacto es pequeña). La humedad o impurezas que contengan las superficies proporcionan un camino para que se recombinen las cargas. La presencia de impurezas en el aire tiene el mismo efecto que la humedad. En la escuela hemos frotado el bolígrafo con nuestra ropa y hemos visto como atrae a trocitos de papeles. En las experiencias de aula, se frotan diversos materiales, vidrio con seda, cuero, etc.. Se emplean bolitas de sauco electrizadas para mostrar las dos clases de cargas y sus interacciones. De estos experimentos se concluye que: 1. La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas denominadas positivas y negativas. Los objetos no cargados poseen cantidades iguales de cada tipo de carga. 2. Cuando un cuerpo se frota la carga se transfiere de un cuerpo al otro, uno de los cuerpos adquiere un exceso de carga positiva y el otro un exceso de carga negativa. En cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado la carga total o neta no cambia. 3. Los objetos cargados con carga del mismo signo, se repelen. 4. Los objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen. Formas de electrización Cuando un cuerpo cargado eléctricamente se pone en contacto con otro inicialmente neutro, puede transmitirle sus propiedades eléctricas. Este tipo de electrización denominada por contacto se caracteriza porque es permanente y se produce tras un reparto de carga eléctrica que se efectúa en una proporción que depende de la geometría de los cuerpos y de su composición. Existe, no obstante, la posibilidad de electrizar un cuerpo neutro mediante otro cargado sin ponerlo en contacto con él. Se trata, en este caso, de una electrización a distancia o por inducción o influencia. Si el cuerpo cargado lo está positivamente la parte del cuerpo neutro más próximo se cargará con electricidad negativa y la opuesta con electricidad positiva. La formación de estas dos regiones o polos de características eléctricas opuestas hace que a la electrización por influencia se la denomine también polarización eléctrica. A diferencia de la anterior este tipo de electrización es transitoria y dura mientras el cuerpo cargado se mantenga suficientemente próximo al neutro. Finalmente, un cuerpo puede ser electrizado por frotamiento con otro cuerpo, como aprecio Tales de Mileto en el siglo sexto antes de Cristo. Electrización por frotamiento La electrización por frotamiento se explica del siguiente modo. Por efecto de la fricción, los electrones externos de los átomos del paño de lana son liberados y cedidos a la barra de ámbar, con lo cual ésta queda cargada negativamente y aquél positivamente. En términos análogos puede explicarse la electrización del vidrio por la seda. En cualquiera de estos fenómenos se pierden o se ganan electrones, pero el número de electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al número de electrones aceptado por el otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni destrucción de carga eléctrica. Esta es la explicación, desde la teoría atómica, del principio de conservación de la carga eléctrica formulado por Franklin con anterioridad a dicha teoría sobre la base de observaciones sencillas. Electrización por contacto La electrización por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de cargas negativas de un cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque sus correspondientes átomos poseen un defecto de electrones, que se verá en parte compensado por la aportación del cuerpo neutro cuando ambos entran en contacto, El resultado final es que el cuerpo cargado se hace menos positivo y el neutro adquiere carga eléctrica positiva. Aun cuando en realidad se hayan transferido electrones del cuerpo neutro al cargado positivamente, todo sucede como si el segundo hubiese cedido parte de su carga positiva al primero. En el caso de que el cuerpo cargado inicialmente sea negativo, la transferencia de carga negativa de uno a otro corresponde, en este caso, a una cesión de electrones. Electrización por inducción La electrización por influencia o inducción es un efecto de las fuerzas eléctricas. Debido a que éstas se ejercen a distancia, un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de otro neutro atraerá hacia sí a las cargas negativas, con lo que la región próxima queda cargada negativamente. Si el cuerpo cargado es negativo entonces el efecto de repulsión sobre los electrones atómicos convertirá esa zona en positiva. En ambos casos, la separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro. Conductores, aisladores y semiconductores Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus cargas eléctricas, bajo la acción de las fuerzas correspondientes, se redistribuyen hasta alcanzar una situación de equilibrio. Algunos cuerpos, sin embargo, ponen muchas dificultades a este movimiento de las cargas eléctricas por su interior y sólo permanece cargado el lugar en donde se depositó la carga neta. Otros, por el contrario, facilitan tal redistribución de modo que la electricidad afecta finalmente a todo el cuerpo. Los primeros se denominan aisladores y los segundos conductores. Esta diferencia de comportamiento de las sustancias respecto del desplazamiento de las cargas en su interior depende de su naturaleza íntima. Así, los átomos de las sustancias conductoras poseen electrones externos muy débilmente ligados al núcleo en un estado de semilibertad que les otorga una gran movilidad, tal es el caso de los metales. En las sustancias aisladoras, sin embargo, los núcleos atómicos retienen con fuerza todos sus electrones, lo que hace que su movilidad sea escasa. Entre los buenos conductores y los aisladores existe una gran variedad de situaciones intermedias. Es de destacar entre ellas la de los materiales semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se comportan como malos conductores, pero desde un punto de vista físico su interés radica en que se pueden alterar sus propiedades conductoras con cierta facilidad, ya sea mediante pequeños cambios en su composición, ya sea sometiéndolos a condiciones especiales, como elevada temperatura o intensa iluminación. Link: http://www.etitudela.com/Electrotecnia/principiosdelaelectricidad/cargaycampoelectricos/contenido s/01d56993080930f36.html 2.9 Imanes y magnetismo terrestre Existe en la naturaleza un mineral llamado magnetita o piedra imán que tiene la propiedad de atraer el hierro, el cobalto, el níquel y ciertas aleaciones de estos metales. Esta propiedad recibe el nombre de magnetismo. Los imanes: Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe3O4) o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. Podemos decir que un imán permanente es aquel que conserva el magnetismo después de haber sido imantado. Un imán temporal no conserva su magnetismo tras haber sido imantado. En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural. La región del espacio donde se pone de manifiesto la acción de un imán se llama campo magnético. Este campo se representa mediante líneas de fuerza, que son unas líneas imaginarias, cerradas, que van del polo norte al polo sur, por fuera del imán y en sentido contrario en el interior de éste; se representa con la letra B. Desde hace tiempo es conocido que una corriente eléctrica genera un campo magnético a su alrededor. En el interior de la materia existen pequeñas corrientes cerradas debidas al movimiento de los electrones que contienen los átomos, cada una de ellas origina un microscópico imán o dipolo. Cuando estos pequeños imanes están orientados en todas direcciones sus efectos se anulan mutuamente y el material no presenta propiedades magnéticas; en cambio si todos los imanes se alinean actúan como un único imán y en ese caso decimos que la sustancia se ha magnetizado. Imantar un material es ordenar sus imanes atómicos. En la figura derecha se observa en primer lugar un material sin imantar y debajo un material imantado. El magnetismo es producido por imanes naturales o artificiales. Además de su capacidad de atraer metales, tienen la propiedad de polaridad. Los imanes tienen dos polos magnéticos diferentes llamados Norte o Sur. Si enfrentamos los polos Sur de dos imanes estos se repelen, y si enfrentamos el polo sur de uno, con el polo norte de otro se atraen. Otra particularidad es que si los imanes se parten por la mitad, cada una de las partes tendrá los dos polos. Cuando se pasa una piedra imán por un pedazo de hierro, éste adquiere a su vez la capacidad de atraer otros pedazos de hierro. La atracción o repulsión entre dos polos magnéticos disminuye a medida que aumenta el cuadrado de la distancia entre ellos. Campo magnético: Se denomina campo magnético a la región del espacio en la que se manifiesta la acción de un imán. Un campo magnético se representa mediante líneas de campo. Un imán atrae pequeños trozos de limadura de hierro, níquel y cobalto, o sustancias compuestas a partir de estos metales (ferromagnéticos). La imantación se transmite a distancia y por contacto directo. La región del espacio que rodea a un imán y en la que se manifiesta las fuerzas magnéticas se llama campo magnético. Las líneas del campo magnético revelan la forma del campo. Las líneas de campo magnético emergen de un polo, rodean el imán y penetran por el otro polo. Fuera del imán, el campo está dirigido del polo norte al polo sur. La intensidad del campo es mayor donde están más juntas las líneas (la intensidad es máxima en los polos). El magnetismo está muy relacionado con la electricidad. Una carga eléctrica está rodeada de un campo eléctrico, y si se está moviendo, también de un campo magnético. Esto se debe a las “distorsiones” que sufre el campo eléctrico al moverse la partícula. El campo eléctrico es una consecuencia relativista del campo magnético. El movimiento de la carga produce un campo magnético. En un imán de barra común, que al parecer esta inmóvil, está compuesto de átomos cuyos electrones se encuentran en movimiento (girando sobre su órbita. Esta carga en movimiento constituye una minúscula corriente que produce un campo magnético. Todos los electrones en rotación son imanes diminutos. UNA CARGA EN MOVIMIENTO PRODUCE UN CAMPO MAGNÉTICO La brújula: La brújula señala al norte magnético de la tierra, que no coincide con el norte geográfico, ya que conoce había explicado antes los polos opuestos se atraen y los similares se repelen, en el norte geográfico de la tierra se encuentra el polo sur magnéticamente hablando por lo que su opuesto (el norte en este caso) apunta lo contrario en una brújula. La tierra es un imán. Campo magnético terrestre. Electromagnetismo El experimento de Oersted: Hans Oersted estaba preparando su clase de física en la Universidad de Copenhague, una tarde del mes de abril, cuando al mover una brújula cerca de un cable que conducía corriente eléctrica notó que la aguja se deflectaba hasta quedar en una posición perpendicular a la dirección del cable. Más tarde repitió el experimento una gran cantidad de veces, confirmando el fenómeno. Por primera vez se había hallado una conexión entre la electricidad y el magnetismo, en un accidente que puede considerarse como el nacimiento del electromagnetismo. Del experimento de Oersted se deduce que;  Una carga en movimiento crea un campo magnético en el espacio que lo rodea. Una corriente eléctrica que circula por un conductor genera a su alrededor un campo magnético cuya intensidad depende de la intensidad de la corriente eléctrica y de la distancia del conductor. Campo magnético creado por un conductor rectilíneo: Una corriente rectilínea crea a su alrededor un campo magnético cuya intensidad se incrementa al aumentar la intensidad de la corriente eléctrica y disminuye al aumentar la distancia con respecto al conductor. En 1820 el físico danés Hans Christian Oersted descubrió que entre el magnetismo y las cargas de la corriente eléctrica que fluye por un conductor existía una estrecha relación. Cuando eso ocurre, las cargas eléctricas o electrones que se encuentran en movimiento en esos momentos, originan la aparición de un campo magnético tal a su alrededor, que puede desviar la aguja de una brújula. Campo magnético creado por una espira: El campo magnético creado por una espira por la que circula corriente eléctrica aumenta al incrementar la intensidad de la corriente eléctrica Campo magnético creado por un solenoide: El campo magnético creado por un solenoide se incrementa al elevar la intensidad de la corriente, al aumentar el número de espiras y al introducir un trozo de hierro en el interior de la bobina (electroimán). Bobina solenoide con núcleo de aire construida con alambre desnudo de cobre enrollado en forma de espiral y protegido con barniz aislante. Si a esta bobina le suministramos corriente eléctrica empleando cualquier fuente de fuerza electromotriz, como una batería, por ejemplo, el flujo de la corriente que circulará a través de la bobina propiciará la aparición de un campo magnético de cierta intensidad a su alrededor. Bobina solenoide a la que se le ha introducido un núcleo metálico como el hierro (Fe). Si comparamos la bobina anterior con núcleo de aire con la bobina de esta ilustración, veremos que ahora las líneas de fuerza magnética se encuentran mucho más intensificadas al haberse convertido en un electroimán. Corrientes inducidas En 1831, Michael Faraday observó que un imán generaba una corriente eléctrica en las proximidades de una bobina, siempre que el imán o la bobina estuvieran en movimiento. La explicación teórica fue:  Es necesario un campo magnético variable (imán, bobina o cable en movimiento) para crear una corriente eléctrica en el cable o en la bobina.  Esta corriente se conoce como corriente inducida, y el fenómeno, como inducción electromagnética. La corriente eléctrica inducida existe mientras dure la variación del campo magnético. La intensidad de la corriente eléctrica es tanto mayor cuanto más intenso sea el campo magnético y cuanto más rápido se muevan el imán o la bobina. Condición para inducir una corriente eléctrica: La corriente eléctrica inducida existe mientras dure esta variación, y su intensidad es tanto mayor cuanto más rápida sea dicha variación. Una corriente eléctrica crea a su alrededor un campo magnético, y un campo magnético variable inducido, a su vez, una corriente eléctrica en un circuito. El sentido de la corriente inducida (Ley de Lenz): La corriente inducida tiende a oponerse a la causa que la produce. El circuito de la figura consta de una barra conductora (1-2) que desliza sobre dos conductores rectilíneos. El circuito queda cerrado a través de una resistencia señalada como R y lo acciona un interruptor. Se encuentra inmerso en un campo magnético B el cual es perpendicular al plano definido por el circuito y dirigido hacia el interior de su pantalla. Si ponemos en movimiento la varilla con una velocidad v como se indica, en las cargas que existen en la varilla se producirán fuerzas (Lorentz). Aplicación de las corrientes inducidas La inducción electromagnética es el fundamento del alternador y la dinamo, dispositivos que generan corriente, así como de los transformadores y motores eléctricos, que convierten la energía eléctrica en mecánica (movimiento). La inducción electromagnética es el fundamento del alternador y la dinamo, dispositivos que generan corriente, así como de los transformadores y motores eléctricos, que convierten la energía eléctrica en mecánica (movimiento). El alternador y la dinamo. Un alternador está formado por un imán fijo a una bobina capaz de girar entre los polos del imán. El alternador produce corriente alterna. Elementos de un alternador simple Un alternador consta de dos partes fundamentales, el inductor, que es el que crea el campo magnético y el inducido que es el conductor el cual es atravesado por las líneas de fuerza de dicho campo. Un rectificador transforma la corriente alterna en corriente continua, es decir, rectifica la corriente alterna. Una dinamo consta de un imán que gira en el interior de un núcleo de hierro dulce, que tiene arrollada una bobina. Una dinamo produce corriente continua. Dinamo de disco de Faraday Faraday mostró que otra forma de inducir la corriente era moviendo el conductor eléctrico mientras la fuente magnética permanecía estacionaria. Este fue el principio de la dinamo de disco, que presentaba un disco conductor girando dentro de un campo magnético (ver el dibujo) movido mediante una correa y una polea en la izquierda. El circuito eléctrico se completaba con hilos estacionarios que tocan el disco en su borde y en su eje, como se muestra en la parte derecha del dibujo. No era un diseño muy práctico de la dinamo (a menos que buscásemos generar enormes corrientes a muy bajo voltaje), pero en el universo a gran escala, la mayoría de las corrientes son producidas, aparentemente, mediante movimientos semejantes. El transformador Un transformador consta de dos arrollamientos de cable sobre un núcleo de hierro dulce y se utiliza para modificar la tensión de la corriente alterna. Esquema de un transformador El motor eléctrico. Un motor eléctrico es un aparato que transforma energía eléctrica en energía mecánica. Existen diferentes tipos de motores, pero de entre todos tal vez sean los llamados “motores de corriente continua” los que permiten ver de un modo más simple cómo obtener movimiento gracias al campo magnético creado por una corriente. Esquema de un motor eléctrico. El elemento situado en el centro es la parte del motor que genera el movimiento. Se la llama armadura o rotor, y consiste en un electroimán que puede girar libremente entorno a un eje. Dicho rotor está rodeado por un imán permanente, cuyo campo magnético permanece fijo. El electroimán recibe la corriente a través del contacto establecido entre las escobillas y el conmutador. Las escobillas permanecen fijas, mientras que el conmutador puede girar libremente entre ellas siguiendo el movimiento del rotor. Cuando la corriente pasa a lo largo del electroimán, sus polos son atraídos y repelidos por los polos del imán fijo, de modo que el rotor se moverá hasta que el polo norte del electroimán quede mirando al polo sur del imán permanente. Pero tan pronto como los polos del rotor quedan “mirando” a los polos del imán, se produce un cambio en el sentido de la corriente que pasa por el rotor. Este cambio es debido a que el conmutador, al girar, modifica los contactos con las escobillas e intercambia el modo en que el electroimán recibe la corriente de la pila. Al modificarse el signo de los polos del electroimán, los polos del rotor resultarán repelidos por los polos del imán fijo, pues en esta nueva situación estarán enfrentados polos de igual signo, con lo cual el rotor se ve obligado a seguir girando. Nuevamente, cuando los polos del electroimán estén alineados con los polos opuestos del imán fijo, el contacto entre escobillas y conmutador modificará el sentido de la corriente, con lo cual el rotor será forzado a seguir girando. Link: http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/tema9/index9.htm 3 Las Interacciones de la Materia. Un Modelo para Describir lo que no Percibimos 3.1 El modelo cinético de partículas El modelo cinético de partículas actual tuvo una evolución desde las ideas que se tenían en la antigua Grecia con Aristóteles, después con Leucipo de Mileto y Demócrito de Abdera, posteriormente con Clausius, Boltzmann, Maxwell hasta convertirse en el modelo actual, con aportaciones hechas por Newton, Brown y Einstein. Leucipo y Demócrito creían que todo estaba constituido de materia en manera de "átomo" y de vacío. Los átomos eran eternos e inmutables por lo tanto indivisibles y no se los puede crear ni destruir. También se diferenciaban por su forma y tamaño. En cambio el filósofo Aristóteles rechazaba la idea de átomos y pensaba que no existía el vacío ya que significaba la ausencia de materia; "nada", y la nada no existe. Por lo tanto el consideraba que todo estaba constituido por materia la cual era extensa o continua. También figuraba en su ideología que los cuerpos estaban formados por los cuatro elementos: agua, tierra, fuego y aire y que el cielo estaba formado por un material perfecto: el éter. Las ideas aristotélicas dominaron por siglos hasta que aportaciones al modelo de partículas como las de Newton con su teoría de la composición de la luz para explicar la refracción y reflexión, así como también las de Daniel Bernoulli con su modelo de esferas rígidas como partículas ayudaron a cambiar un poco la perspectiva a pesar de que no fueron totalmente aceptadas en su momento. Los científicos James C. Maxwell y Lodwig Boltzmann desarrollaron en base a las teorías y modelos y del trabajo realizado por Clausius acerca de la velocidad de las partículas un nuevo modelos que ayudaría a explicar los estados de agregación en un líquido centrándose en sus investigaciones en gases. Su modelo explicaba que en los estados de agregación del agua: Los gases están conformados por partículas en forma de esferas rígidas las cuales están libres porque carecen de cualquier unión molecular así que están partículas se alejas y chocan entre sí. Complementando el modelo se explica que un líquido posee partículas con una unión molecular lo suficientemente débil como para que tengan cierta libertad pero no tanto como para que se separen. Debido a estas características un líquido puede cambiar de forma y adaptarse a cualquier recipiente pero no se puede comprimir o expandir. Y por último en estado sólido como el hielo, las partículas poseen conexiones moleculares fuertes, tanto que las partículas sólo pueden vibrar debido a su inercia permanente, no cambian de forma, no se adaptan ni tampoco se comprime o expande. La ideología de Maxwell y Boltzmann fue reafirmada por los trabajos de Einstein y de Brown acerca de la interacción de las partículas entre sí y su movimiento. 3.2 Calor y temperatura La temperatura puede definirse como la medida de la energía cinética promedio de las moléculas que conforman un cuerpo y calor como la energía que intercambian dos sistemas por el contacto térmico. Una vez definido los dos conceptos hay que analizar su influencia entre los estados de agregación. Cada estado tiene por lo general una temperatura específica o tiene un punto de temperatura el cual delimita un estado del otro, aunque también depende del tipo de materia si pasa de un estado al otro. Tomando como referencia las moléculas de agua cuando están muy activas entre sí, generan un aumento en la temperatura del cuerpo (que no es nada más que una alta interacción molecular) y las conexiones moleculares se van anulando hasta desaparecer. Cuando un líquido va a hervir, lo que pasa es que el calor de un cuerpo que es transferido a otro inicia una alta interacción molecular del último provoca que las conexiones moleculares se anulen y deja que las moléculas se liberes y pasen al otro estado de agregación; el vapor. También es importante mencionar algunos fenómenos térmicos como el equilibrio térmico el cual se da cuando hay la misma temperatura en dos cuerpo o bien la misma interacción molecular después de una transferencia de calor. Otra cosa que se debe de saber acerca del calor es que tiene 3 maneras de propagarse o transferirse: · Por conducción: Se da entre cuerpos sólidos y es por contacto. El calor se transfiere debido a la intensa acción molecular de un cuerpo el cual estimula e incita la interacción molecular del otro. · Por convección: Se da entre cuerpos líquidos y es cuando dos líquidos están en contacto y la acción molecular del de mayor temperatura estimula por estar en contacto las moléculas del otro líquido hasta que logren un equilibrio térmico. · Por radiación: Se da entre los cuerpos sin necesidad de estar en contacto, inclusive puede haber espacio vacío entre ellos y se da la transferencia de calor por ondas electromagnéticas (el cuerpo debe de estar muy caliente o tener un flujo de electrones alto para poseer a su vez un campo magnético inducido y así también emitir ondas electromagnéticas) las cuales calientan al otro cuerpo de menor temperatura. Presión: Principio de Pascal Piensa en la presión como la fuerza que se aplica a determinada área. La presión siempre ésta presente en todo momento (presión atmosférica: el aire ejerce presión o ejerce una fuerza sobre el cuerpo) y mediante el modelo cinético de partículas se puede explicar cualquier fenómeno físico relacionado con la presión. ¿Has visto el vapor que sale por el orificio de las tapas de las ollas de presión? Es precisamente por la presión. El agua pasa del estado líquido al gaseoso debido a la intensa interacción molecular y a la anulación de las uniones moleculares originado por el calor que se transfiere de la flama de la estufa a la superficie de la olla (conducción térmica por contacto) y debido a que la temperatura sigue aumentando las moléculas colisionan entre sí y con las paredes internas del recipiente hasta que logran encontrar una salida la cual es el orificio de las tapas de las ollas de presión. La presión como una relación entre la fuerza y el área en la que se aplica puede ser cuantificada de la siguiente manera: Presión = Fuerza Área Su unidad son los Pascales (Pa): 1 Pa = 1 N/m2 La presión puede tener la misma intensidad sobre toda la superficie donde se aplica, como en los líquidos como lo dice el Principio de Pascal (descubierta por Blaise Pascal, 1623-1662): Cuando se aplica una fuerza a un líquido dentro de un envase perforado, el líquido deberá salir por toda las aberturas con la misma fuerza y al mismo tiempo, debido a que la presión ejercido se distribuye de manera proporcional. La fuerza con la que sale el líquido se puede calcular de la siguiente manera: P = F/A = PAhg/A es igual a P = phg Significa que la presión que ejerce un líquido sobre el fondo del recipiente es directamente proporcional a la densidad del líquido y a la altura que alcanza el líquido. 3.3 El modelo de partículas y la presión En condiciones normales de presión, el punto de ebullición del agua es 100° C pero ¿sabías que cuando el agua ha alcanzado este valor y mientras todas las moléculas pasan a la fase gaseosa, su temperatura no aumenta aun cuando se le aplique calor? Entonces, ¿qué sucede con el calor aplicado? Recordemos que el calor es una forma de energía, cuando el agua o cualquier sustancia alcanzan su punto de ebullición, toda la energía (calor en este caso) se utiliza para el cambio de fase y no para el aumento de temperatura. A este calor se le llama calor latente, denominado así porque latente en latín significa “escondido” y era considerado así antiguamente por no registrar cambios en la temperatura. Este calor “escondido” o calor latente, se usaba para describir los cambios de líquido a vapor o vaporización. Actualmente se sabe que aplica también en la fusión, pues mientras se le aplica calor al hielo que se derrite, no registra cambios de temperatura hasta que la totalidad de las partículas ha cambiado de fase. Para mi comentario te he puesto de ejemplo el agua, pero el calor latente aplica a las demás sustancias. La presión se define como la fuerza aplicada por unidad de área. Matemáticamente se expresa con la siguiente fórmula: Presión es igual a fuerza entre área Así, la presión es directamente proporcional a la fuerza aplicada e inversamente proporcional al área o superficie sobre la cual se ejerce la fuerza. Lo que significa que a mayor fuerza aplicada, mayor será también la presión, pero cuanto mayor sea el área sobre la que se ejerce la fuerza, menor será la presión ejercida. Es fácil imaginar fuerzas ejercidas en cuerpos sólidos pero, ¿qué sucederá con los líquidos? A mayor profundidad, mayor presión Recordemos que el modelo de partículas nos indica que la presión que ejerce una sustancia, es producto del movimiento de las partículas y más específicamente, de las colisiones entre las partículas o entre las partículas y el recipiente en donde se encuentra contenido el fluido. Por lo que la presión hidrostática es aquella que origina todo líquido en todos los puntos del mismo líquido y las paredes del recipiente que lo contiene. En este caso, la presión aumenta con la profundidad y es nula en la superficie libre del líquido. La presión hidrostática se calculará entonces con la siguiente fórmula: La presión hidrostática es igual a la densidad del líquido, por el valor de la aceleración producida por la gravedad y por la altura o profundidad Es decir, tendremos que multiplicar la densidad del líquido por el valor de la aceleración producida por la fuerza gravitacional y por la altura o profundidad a la que se encuentre el objeto o el punto en donde se quiere conocer la presión. ¿Presión es lo mismo que fuerza? Es común que en la vida diaria utilicemos algunas palabras como sinónimos y en realidad no lo son. Presión y fuerza son usados de manera equivalente para referirse a algún fenómeno; pero como ya sabemos, la ciencia debe ser muy objetiva con respecto a esto y establecer muy bien las diferencias. Tenemos el ejemplo de la cama de clavos. Cada clavo ejerce una fuerza sobre un área pequeña, por lo que puede causar daño o incluso perforar dependiendo del material al que se le aplique la fuerza y de la magnitud de dicha fuerza, pero ¿qué sucede cuando se colocan muchos clavos a la misma distancia como en una cama de clavos?, ¿de qué manera se pude explicar que la magnitud del daño no sea la misma? Pues a continuación te invito a ver un fragmento del programa de televisión “El Mundo de Beackman”, en donde le protagonista explica la diferencia entre estos dos conceptos de una manera divertida y además apoyándose en experimentos sencillos. Link: https://ciencias2univia.wordpress.com/tag/presion/ 3.4 La ecuación del principio de Pascal En física, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623-1662) que se resume en la frase: la presión ejercida en cualquier lugar de un fluido encerrado e incompresible se transmite por igual en todas las direcciones en todo el fluido, es decir, la presión en todo el fluido es constante. La presión en todo el fluido es constante: esta frase que resume de forma tan breve y concisa la ley de Pascal da por supuesto que el fluido está encerrado en algún recipiente, que el fluido es incompresible... El principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma presión. También podemos ver aplicaciones del principio de Pascal en las prensas hidráulicas. Aplicación de principio de pascal El principio de Pascal puede ser interpretado como una consecuencia de la ecuación fundamental de la hidrostática y del carácter altamente incompresible de los líquidos. En esta clase de fluidos la densidad es prácticamente constante, de modo que de acuerdo con la ecuación: p = p_0 + rho g h , Donde: p, , presión total a la profundidad h, Medida en Pascales (Pa). p_0 , , presión sobre la superficie libre del fluido. rho , , densidad del fluido. g, Aceleración de la gravedad. Si se aumenta la presión sobre la superficie libre, por ejemplo, la presión total en el fondo ha de aumentar en la misma medida, ya que el término ρgh no varía al no hacerlo la presión total (obviamente si el fluido fuera compresible, la densidad del fluido respondería a los cambios de presión y el principio de Pascal no podría cumplirse). Prensa hidráulica La prensa hidráulica es una máquina compleja semejante a un camión de Arquímedes, que permite amplificar la intensidad de las fuerzas y constituye el fundamento de elevadores, prensas, frenos y muchos otros dispositivos hidráulicos de maquinaria industrial. La prensa hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal y también un dispositivo que permite entender mejor su significado. Consiste, en esencia, en dos cilindros de diferente sección comunicados entre sí, y cuyo interior está completamente lleno de un líquido que puede ser agua o aceite. Dos émbolos de secciones diferentes se ajustan, respectivamente, en cada uno de los dos cilindros, de modo que estén en contacto con el líquido. Cuando sobre el émbolo de menor sección S1 se ejerce una fuerza F1 la presión p1 que se origina en el líquido en contacto con él se transmite íntegramente y de forma (casi) instantánea a todo el resto del líquido. Por el principio de Pascal esta presión será igual a la presión p2 que ejerce el fluido en la sección S2, es decir: p_1 = p_2 , Con lo que, las fuerzas fueron siendo, siendo S1 < S2 : F_1 = p_1 S_1 < p_1 S_2 = p_2 S_2 = F_2, Y por tanto, la relación entre la fuerza resultante en el émbolo grande cuando se aplica una fuerza menor en el émbolo pequeño será tanto mayor cuanto mayor sea la relación entre las secciones: F_1 = F_2 left( frac{S_1}{S_2} right) 3.5 Principio de conservación de la energía En 1847, el físico, James Prescott Joule enuncia el Principio de Conservación de la energía. El Principio de Conservación de la energía expresa que "la energía no se crea ni se destruye, se transforma". Esto quiere decir, que la energía puede transformarse de una forma a otra, pero la cantidad total de energía siempre permanece constante. Por ejemplo: Estando en la máxima altura en reposo una pelota solo posee energía potencial gravitatoria. Su energía cinética es igual a 0 J. Una vez que comienza a rodar su velocidad aumenta por lo que su energía cinética aumenta, pero, pierde altura por lo que su energía potencial gravitatoria disminuye. Finalmente al llegar a la base de la pendiente su velocidad es máxima por lo que su energía cinética es máxima pero, se encuentra a una altura igual a 0 m por lo que su energía potencial gravitatoria es igual a 0 J. FIGURA 3-4 La energía potencial gravitatoria que posee la pelota, debido a la altura a la que se encuentra, empieza a transformarse en energía cinética al comenzar a moverse la pelota. Link: http://contenidosdigitales.ulp.edu.ar/exe/fisica/principio_de_conservacin_de_la_energa 4 Manifestaciones de la estructura interna de la materia 4.7 Estructura interna de la materia La materia es todo lo que ocupa un lugar en el espacio. Es todo aquello que se forma a partir de átomos o moléculas, con la propiedad de estar en estado sólido, líquido o gaseoso. Son ejemplos de materia las piedras, la madera, los huesos, el plástico, el vidrio, el aire y el agua. Al observar un paisaje pueden verse pájaros, árboles, un río, un caballo pastoreando, flores, etc. Todas esas cosas forman parte de la naturaleza y se pueden ver y tocar. Esa característica común (visible y palpable) que tienen todos los objetos se denomina materia. Es decir, la materia es lo que forman las cosas que tocamos y vemos. La materia tiene volumen porque ocupa un lugar en el espacio. Además, tiene masa, que es la cantidad de materia que posee un objeto y que se puede medir con una balanza. La materia, a diferencia de los objetos o cuerpos, no está limitada por la forma ni por el tamaño. A su vez, los objetos o cuerpos (por ejemplo una caja) pueden estar construidos por diferentes materiales (cartón, metal, madera, plástico). Por otra parte, un mismo objeto puede estar formado por uno o varios materiales (caja de madera con tapa de plástico y cerradura de metal). También, diferentes objetos pueden estar fabricados con el mismo tipo de material (balde, pelota y botella de plástico). La materia se encuentra en tres estados diferentes de agregación: sólido (hierro, madera), líquido (agua de mar) y gaseoso (aire atmosférico). En estos tres estados de agregación se observan las siguientes características: 1) La materia está formada por pequeñas partículas. 2) Esas partículas están en constante movimiento (en los gases más que en los líquidos y sólidos). 3) Hay fuerzas de atracción entre las partículas que forman la materia (en los sólidos más que en líquidos y gases). Esas partículas, que son pequeñísimas y que forman parte de la materia se denominan átomos. Átomo Un átomo es la menor cantidad de un elemento químico que tiene existencia propia, y que no es posible dividir mediante procesos químicos. Un átomo es tan pequeño que una sola gota de agua contiene más de mil trillones de átomos. Los átomos están formados por un núcleo que contiene dos tipos de partículas: los protones (tienen carga eléctrica positiva) y los neutrones (sin carga eléctrica). Ambas partículas tienen una masa similar. Alrededor del núcleo se encuentran los electrones, que tienen carga eléctrica negativa y una masa muchísimo más pequeña que la correspondiente a los protones y neutrones. El átomo es eléctricamente neutro, ya que tiene tantos electrones como protones hay dentro del núcleo. Los electrones giran alrededor del núcleo en zonas llamadas orbitales, que se agrupan en niveles de energía. Los electrones que giran más cercanos al núcleo del átomo tienen menor energía que aquellos que lo hacen alejados del núcleo. Los electrones van llenando los orbitales desde la zona más cercana al núcleo hacia la más alejada. De esa forma, el último nivel que contenga electrones puede estar completo o incompleto. Cuando el último nivel orbital está incompleto, el átomo es inestable y tiende a completarlo para ganar estabilidad. Para ello puede dar, recibir o compartir electrones con otros átomos. Es así como se forman agrupaciones de dos o más átomos. Un átomo puede prestarle a otro átomo uno o varios electrones. De esa forma ambos adquieren carga eléctrica. El átomo que gana electrones (queda cargado negativamente) se denomina anión. El átomo que pierde electrones (queda cargado positivamente) se llama catión. Tanto el anión como el catión reciben el nombre de "iones". Es decir, un ion es un átomo cargado eléctricamente, sea en forma positiva o negativa. Esquema de un Átomo John Dalton propuso la denominada “Teoría Atómica” en el año 1808, donde se postula: 1- La materia está formada por partículas indivisibles y pequeñas llamadas átomos. 2- Un elemento químico es un tipo de materia formada por una sola clase de átomos. 3- Cuando los átomos de dos o más elementos se combinan forman compuestos en una razón fija de números enteros. 4- Durante una reacción química, ningún átomo desaparece o se transforma en átomos de otro elemento. La teoría atómica dio lugar a tres leyes de la materia. -Ley de la conservación de la masa: durante los cambios químicos no se producen modificaciones apreciables en la masa. -Ley de la composición constante: un compuesto contiene siempre los mismos elementos y en igual razón por peso, independientemente de su origen. -Ley de las proporciones múltiples: cuando dos elementos forman dos compuestos distintos, la relación de masa de los elementos en un compuesto está asociada a la relación de masa en el otro compuesto a través de un número sencillo y entero. Link: http://hnncbiol.blogspot.mx/2008/01/el-estado-en-que-se-encuentra-la_3800.html 4.2 Capacidad de los materiales para conducir la corriente eléctrica Como sabemos, la electricidad tiene su origen en el movimiento del electrón. El átomo que forma la materia está compuesto básicamente por un núcleo donde se encuentran otras partículas, como protones y neutrones; alrededor del núcleo giran en órbita los electrones. La carga eléctrica es una propiedad física de los electrones y protones en los átomos de la materia. Se denomina corriente eléctrica al movimiento de cargas a través de un conductor. Los metales más utilizados en la industria eléctrica para el transporte de cargas eléctricas son el cobre y el aluminio. Estos metales son llamados conductores debido a que tienen electrones libres capaces de moverse dentro de su red cristalina. Cuando por un conductor se desplazan cargas eléctricas, podremos decir que por él circula una corriente eléctrica. Circuito eléctrico Para que pueda circular una corriente eléctrica por un circuito eléctrico, es necesario que lo haga en un circuito cerrado. Al circuito eléctrico lo podemos asociar a un circuito hidráulico, y para eso lo debemos pensar como el camino que recorre la corriente (agua) desde la fuente hacia la carga, también llamado consumo. La carga es todo elemento que consume energía para producir trabajo; podemos dar como ejemplos de nuestra vida cotidiana: los motores, las lámparas, etcétera. La corriente, igual que el agua, circula a través de los canales que conducen el flujo de corriente; desde el punto de vista eléctrico, los canales son los conductores eléctricos que usamos para transportar la corriente de un punto a otro, es decir, transportamos los electrones al punto de la carga. En el circuito hidráulico, la diferencia de altura genera una determinada presión (tensión en un circuito eléctrico) que provoca la circulación de un caudal de líquido (corriente); la cañería ofrece una resistencia a la circulación del fluido, que depende de la longitud y el área de contacto. La corriente que fluye por un conductor depende de la tensión aplicada y, cuanto menor sea la resistencia, en mejores condiciones circulara la corriente eléctrica. Los circuitos eléctricos básicos que podemos encontrar son: circuito serie y circuito paralelo. En un circuito serie, los elementos se conectan en una misma trayectoria de corriente, mientras que en un circuito paralelo la corriente que pasa a través de los resistores no necesariamente debe ser la misma, pero la tensión aplicada en los terminales es la misma para todos los elementos. Materiales conductores Los materiales conductores eléctricos proporcionan un medio para la circulación de corriente cuando se les aplica una diferencia de potencial. En general, los metales son conductores de la electricidad. La conductividad en los metales, como el cobre y el aluminio, se produce debido a los electrones que se ven atraídos al terminal positivo cuando se aplica un voltaje. La libertad con la que pueden moverse determina la conductividad y la resistividad. Las restricciones en el movimiento de los electrones están dadas por las impurezas, estrés mecánico, etcétera, por lo tanto, para lograr alta conductividad, el metal debe ser puro. Materiales aislantes Los materiales aislantes son, por nombrar algunos, la cerámica, el vidrio, la baquelita, la cinta aisladora de PVC, la fibra de vidrio, la goma. Todos ellos tienen en común que su resistividad es muy alta o, si queremos compararlos con los materiales conductores, su conductividad es muy baja. Resistividad La resistividad es la inversa de la conductividad. Entendemos por resistividad la resistencia eléctrica del material por la sección y dividida por la distancia entre electrodos. La resistividad es la medida que se utiliza para conocer la facilidad o dificultad que presenta un material para permitir el pasaje de

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