Elasticidad

Elasticidad

Es una propiedad mecánica de los sistemas, decimos que un material es elástico cuando al aplicarle una fuerza, se deforma, y, al dejar de aplicar la fuerza, vuelve a su forma original.

Los materiales que al ser deformados y dejar de aplicar la fuerza, no vuelven a su forma original, se llaman inelásticos o plásticos. 

Son materiales elásticos, un resorte, una gomita elástica, la piel, los músculos, entre otros.

Materiales plásticos, son por ejemplo un chicle, plasticina, cemento...

Todos los materiales elásticos tienen un límite de elasticidad, lo cual significa que si aplicamos una fuerza mayor al límite de elasticidad, el material queda deformado o se rompe.

Las partículas se mantienen unidas por fuerzas de atracción entre ellas, las que hacen que al separarlas vuelvan a su lugar, pero si las separamos demasiado, éstas fuerzas no son suficientes para volver a unirlas. El límite elasticidad depende de cada material.

Ley de Hooke

Cuando una fuerza externa actúa sobre un material causa un esfuerzo o tensión en el interior del material que provoca la deformación del mismo. En muchos materiales, entre ellos los metales y los minerales, la deformación es directamente proporcional al esfuerzo. No obstante, si la fuerza externa supera un determinado valor, el material puede quedar deformado permanentemente, y la ley de Hooke ya no es válida. El máximo esfuerzo que un material puede soportar antes de quedar permanentemente deformado se denomina límite de elasticidad.

Modulo de Young

El módulo de elasticidad o módulo de Young es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se aplica una fuerza. Para un material elástico lineal e isótropo, el módulo de Young tiene el mismo valor para una tracción que para una compresión, siendo una constante independiente del esfuerzo siempre que no exceda de un valor máximo denominado límite elástico, y es siempre mayor que cero: si se tracciona una barra, aumenta de longitud, no disminuye. Este comportamiento fue observado y estudiado por el científico inglés Thomas Young.

Tanto el módulo de Young como el límite elástico son distintos para los diversos materiales. El módulo de elasticidad es una constante elástica que, al igual que el límite elástico, puede encontrarse empíricamente con base al ensayo de tracción del material.

Densidad Y Peso Especifico

Densidad

Una de las propiedades de los sólidos, así como de los líquidos e incluso de los gases es la medida del grado de compactación de un material: su densidad.

La densidad es una medida de cuánto material se encuentra comprimido en un espacio determinado; es la cantidad de masa por unidad de volumen .

Probablemente a veces hemos escuchado hablar de densidad de la materia o de la densidad de un bosque o de la densidad poblacional.

Supongamos que vamos a ver un partido de fútbol y nos damos cuenta de que en las galerías del estadio hay muy poca gente. Si dividimos todos los asientos disponibles por el número total de asistentes tendremos como resultado un valor numérico grande, donde habrá más de un asiento por cada persona presente. Si el estadio está lleno totalmente, en la división propuesta tendríamos un valor numérico menor, si no sobran asientos, la división sería uno y significaría que hay un asiento por persona.

Dividir un espacio disponible por el número de personas presentes nos refleja el concepto de densidad poblacional .

La densidad de los líquidos  es la relación que existe entre la masa y volumen de un líquido.

La densidad es una magnitud intensiva  ya que no dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño de un sistema, por lo que cuyo valor permanece inalterable, por este motivo no son propiedades aditivas.

La diferencia de densidades provoca que algunos líquidos sean mas pesados que otros.

Peso Especifico

El peso es la fuerza que ejerce el planeta para atraer a los cuerpos. La magnitud de la fuerza en cuestión también se conoce como peso. Peso, por otra parte, se suele usar como sinónimo de masa, aunque este concepto nombra específicamente el nivel de materia del cuerpo (más allá de la fuerza gravitatoria).

Con esto en mente, podemos definir la noción de peso específico, que es el vínculo existente entre el peso de una cierta sustancia y el volumen correspondiente. Puede expresarse en newtons sobre metro cúbico.

Si bien la densidad y el peso específico son conceptos diferentes, tienen una estrecha relación entre sí. Por ejemplo, si tomamos la fórmula del peso de un cuerpo (P = m . g, masa por aceleración de la gravedad) y la usamos para sustituir la variable p en la fórmula de peso específico (Pe = p / V, peso sobre volumen), obtenemos lo siguiente: Pe = m.g / V. Esto también puede expresarse como Pe = m/V . g y, dado que la densidad es la masa sobre el volumen, puede concluirse que el peso específico es igual a la densidad multiplicada por la aceleración de la gravedad: Pe = d . g.

Hidrostatica

Hidrostática

Es la rama de la mecánica de fluidos que estudia los fluidos en estado de reposo; es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. Reciben el nombre de fluidos aquellos cuerpos que tienen la propiedad de adaptarse a la forma del recipiente que los contiene. A esta propiedad se le da el nombre de fluidez.

Son fluidos tanto los líquidos como los gases, y su forma puede cambiar fácilmente por escurrimiento debido a la acción de fuerzas pequeñas.

Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de Pascal y el principio de Arquímedes.

Principio del Pascal

Es una ley postulada por Pascal, un físico y matemático francés la cual consiste en que la presión que se ejerce desde un fluido que no se puede comprimir mientras que este se encuentre en equilibrio en un sitio con paredes que no se modifican se propaga con la misma intensidad hacia todos lados y en todos los puntos de dicho fluido.

La definición del principio de Pascal puede ser interpretada como una consecuencia de la hidrostática y la no compresión de los líquidos. Por lo cual se aplica para reducir las fuerzas que se aplican en algunos casos, como lo es la prensa hidráulica.

Prensa hidráulica

La prensa hidráulica es una máquina capaz de generar una fuerza elevada aplicando sobre ella una fuerza relativamente pequeña. Su funcionamiento se basa en el Principio de Pascal.

Se componen de un depósito de gran resistencia que posee dos aberturas, una de superficie mayor (S1) y otra de menor (S2). Dicho depósito se rellena con un fluido como puede ser aceite o incluso agua y en cada abertura se sitúa un émbolo. Al grande lo llamaremos E1 y al pequeño E2.

Si se aplica una fuerza sobre el émbolo pequeño E2, introduciéndolo en el recipiente, la presión se transmite íntegramente a todo el líquido, haciendo que el émbolo grande E1 ascienda con una fuerza mayor que la aplicada en S2. Pero... ¿Por qué?

Si llamamos P1 a la presión del émbolo E1 y P2 al émbolo de E2, como la presión se transmite de igual forma en todos los puntos del fluido, se cumple que P1 = P2, o lo que es lo mismo:

Si te das cuenta, la fuerza del émbolo grande, será la del pequeño pero amplificada una cantidad equivalente al cociente de ambas superficies.

Principio de Arquimedes

Todo cuerpo sumergido en un líquido recibe un empuje, de abajo hacia arriba, igual al peso del líquido desalojado.

Cuerpos sumergidos

Sobre un cuerpo sumergido actúan dos fuerzas; su peso , que es vertical y hacia abajo y el empuje que es vertical pero hacia arriba.

Si queremos saber si un cuerpo flota es necesario conocer su peso específico , que es igual a su peso dividido por su volumen .

Entonces, se pueden producir tres casos:

1. Si el peso es mayor que el empuje ( P > E ), el cuerpo se hunde. Es decir, el peso específico del cuerpo es mayor al del líquido.
2. Si el peso es igual que el empuje ( P = E ), el cuerpo no se hunde ni emerge. El peso específico del cuerpo es igual al del líquido.
3. Si el peso es menor que el empuje ( P < E ), el cuerpo flota. El peso específico del cuerpo es menor al del líquido.

La explicación del principio de Arquímedes consta de dos partes.

1. El estudio de las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido.
2. La sustitución de dicha porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones.

Empuje

Estados de agregación

Estados de Agregación

La materia se presenta en cinco estados o formas de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Plasma y condensado de Bose - Einstein

Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua.La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto.

Estado Solido

Manteniendo constante la presión, a baja temperatura, los cuerpos se presentan en forma sólida y los átomos se encuentran entrelazados formando generalmente estructuras cristalinas, lo que confiere al cuerpo la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente. Son, por tanto, agregados generalmente como duros y resistentes. El estado sólido presenta las siguientes características:

• Cohesión (atracción).
• Vibración.
• Tienen forma propia.
• No pueden comprimirse.
• Resistentes a fragmentarse.
• Volumen definido.
• Pueden ser orgánico o inorgánico.

Estado Liquido

Si se incrementa la temperatura el sólido va «descomponiéndose» hasta desaparecer la estructura cristalina alcanzando el estado líquido. Característica principal: la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. En este caso, aún existe cierta rozamiento entre los átomos del cuerpo, aunque mucho menos intensa que en los sólidos. El estado líquido presenta las siguientes características:

• Cohesión menor (regular)
• Movimiento energía cinética.
• Sin forma definida.
• Toma la forma del envase que lo contiene.
• En frío se comprime, excepto el agua.
• Posee fluidez.
• Puede presentar difusión.

Estado Gaseoso

Incrementando aún más la temperatura se alcanza el estado gaseoso. Los átomos o moléculas del gas se encuentran virtualmente libres de modo que son capaces de ocupar todo el espacio del recipiente que lo contiene, aunque con mayor propiedad debería decirse que se distribuye o reparte por todo el espacio disponible. El estado gaseoso presenta las siguientes características:

• Cohesión casi nula.
• Sin forma definida.
• Sin volumen definido.
• Pueden comprimirse fácilmente.
• Ejercen presión sobre las paredes del recipiente contenedor.
• Se mueven con libertad.

Plasma

Al plasma se le llama a veces «el cuarto estado de la materia», además de los tres «clásicos», sólido, líquido y gas. Es un gas en el que los átomos se han roto, formado por electrones negativos y iones positivos (átomos que han perdido electrones y que están moviéndose libremente).

En la baja atmósfera, cualquier átomo que pierde un electrón (cuando es alcanzado por una partícula cósmica rápida) lo recupera pronto o atrapa otro. Pero a altas temperaturas, como en el Sol, es muy diferente. Cuanto más caliente está el gas, más rápido se mueven sus moléculas y átomos, y a muy altas temperaturas las colisiones entre estos átomos, moviéndose muy rápido, son suficientemente violentas para liberar los electrones. En la atmósfera solar, una gran parte de los átomos están permanentemente «ionizados» por estas colisiones y el gas se comporta como un plasma.

Cambios de estados

Condensado de Bose

Otro estado de la materia es el condensado de Bose-Einstein (CBE), predicho en 1924 por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein, y obtenido en 1995 (los físicos Eric A. Cornell, Carl E. Wieman y Wolfgang Ketterle compartieron el Premio Nobel de Física de 2001 por este hecho). Este estado se consigue a temperaturas cercanas al cero absoluto y se caracteriza porque los átomos se encuentran todos en el mismo lugar, formando un superátomo.