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.

TRABAJO, POTENCIA Y ENERGIA

TRABAJO, POTENCIA Y ENERGÍA

ENERGIA

El concepto de energía está relacionado con la capacidad de generar movimiento o lograr la transformación de algo. 

Para la física, la energía es una magnitud abstracta que está ligada al estado dinámico de un sistema cerrado y que permanece invariable con el tiempo. Se trata de una abstracción que se le asigna al estado de un sistema físico. Debido a diversas propiedades (composición química, masa, temperatura, etc.), todos los cuerpos poseen energía.

Un campo este, el de la física, que nos lleva a determinar que en el mismo se produce la mención a diversos tipos de energía. En concreto, tendremos que hacer frente a dos: la cuántica y la clásica.

Pueden detallarse diversos tipos de energía según el campo de estudio. La energía mecánica, por ejemplo, es la combinación de la energía cinética (que genera a partir del movimiento) y la energía potencial (vinculada a la posición de un cuerpo dentro de un campo de fuerzas).

TRABAJO

Se denomina trabajo cuando una fuerza (que utiliza la medida newton) moviliza un cuerpo y libera la energía potencial del mismo. El hombre o la máquina vence una resistencia, como por ejemplo cuando se levanta una caja. Para medir el trabajo se relaciona la distancia en que se desplaza un cuerpo y la fuerza empleada. La unidad de trabajo es entonces el resultado del producto entre la unidad de fuerza por la de longitud. También hay que tener en cuenta la dirección de la fuerza que puede ser horizontal, vertical u oblicua.

POTENCIA

La potencia es la cantidad de trabajo que se realiza por unidad de tiempo. Puede asociarse a la velocidad de un cambio de energía dentro de un sistema, o al tiempo que demora la concreción de un trabajo. Por lo tanto, es posible afirmar que la potencia resulta igual a la energía total dividida por el tiempo.

PROBLEMAS

Ejercicio Nº 1

¿Qué requiere más trabajo: subir un bulto de 420 N a una colina de 200 metros de altura, o un bulto de 210 N a una colina de 400 metros de altura? (no consideramos el ángulo de aplicación de la fuerza, que para ambos caso el mismo).

¿Por qué?

Apliquemos la fórmula simple:

T = F •  d  (Trabajo =  fuerza por distancia)

Para el bulto 1 

Para el bulto 2

Respuesta: Requieren el  mismo trabajo, que es igual a fuerza por distancia

Ejercicio 2

Un remolcador ejerce una fuerza paralela y constante de 4.000 N sobre un barco y lo mueve una distancia de 15 m a través del puerto. ¿Qué trabajo realizó el remolcador?

Datos:

F = 4.000 N

d = 15 m

T = x

Fórmula

T = F · d

Entonces

T = 4.000 N x 15 m = 60.000 J

Respuesta:

El remolcador realizó un trabajo equivalente a 60.000 J.

FRICCION

FRICCIÓN

El término fricción deriva de friccionar. Este verbo refiere a frotar, restregar o rozar algo. Se conoce como fuerza de fricción a la que realiza una oposición al desplazamiento de una superficie sobre otra, o a aquélla opuesta al comienzo de un movimiento.
La fricción, como fuerza, se origina por las imperfecciones entre los objetos que mantienen contacto, las cuales pueden ser minúsculas, y generan un ángulo de rozamiento.

La fuerza de fricción también se presupone que es proporcional al coeficiente de fricción. Sin embargo, la cantidad de fuerza que se requiere para mover un objeto desde el reposo, es usualmente mayor que la fuerza requerida para mantenerlo moviéndose a velocidad constante una vez iniciado el movimiento. Por lo tanto a veces se citan dos coeficientes de fricción para un par dado de superficies -un coeficiente de fricción estática y un coeficiente de fricción cinética-. La expresión de la fuerza de arriba, se puede llamar modelo estándar de fricción de superficie y depende de varios supuestos sobre la fricción.

COEFICIENTE DE FRICCION

La fricción se caracteriza típicamente por un coeficiente de fricción, que es la razón entre la fuerza de resistencia a la fricción, y la fuerza normal que presiona juntas las superficies. En este caso la fuerza normal es el peso del bloque.

FUERZA NORMAL

Las fuerzas de resistencias de fricción son tipicamente proporcional a la fuerza que presiona juntas las superficies. Esta fuerza, que afectará a la resistencia de fricción es la componente de la fuerza aplicada que actúa en forma perpendicular o "normal" a las superficies que están en contacto, y se le llama típicamente como la fuerza normal. En muchas situaciones, la fuerza normal es justo el peso del objeto que está apoyado sobre alguna superficie.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA FUERZA DE FRICCIÓN

VENTAJAS

• Permite el desplazamiento de objetos o cuerpos. Sin esta fuerza no podríamos caminar. 
• Permite fijar o mantener objetos o cuerpos. Por ejemplo una caja.
• Permite frenar a un cuerpo. Sin esta fuerza un objeto lanzado o un carro no pararían al menos que fueran frenados por otro cuerpo

DESVENTAJAS

• Son fuerzas no conservativas para ciertos casos. 
• Como consecuencia del punto anterior, en unos sistemas. gastan energía, envés de conservarla. 
• Te pueden lastimar. La lija por ejemplo. 
• Producen desvíos de proyectiles.
• Reduce eficacia de cualquier tipo de motor o mecanismo.

PROBLEMAS

CONDICIONES DE EQUILIBRIO

CONDICIONES DE EQUILIBRIO

El equilibrio refiere a un estado de estabilidad, o de balanceo/compensación entre los atributos o características de dos cuerpos o de dos situaciones.

En mecánica, se consigue el equilibrio en un cuerpo cuando todas las fuerzas que se aplican sobre él se anulan en el mismo momento. Pensemos que nosotros estamos manejando un auto, el sistema mecánico de éste responde con movimiento según nuestras “indicaciones”. Cuando se apaga el motor del auto, por “indicación nuestra”, todas las fuerzas quedan anuladas, y el auto (cuerpo) en equilibrio.

PRIMERA CONDICIÓN

Diremos que un cuerpo se encuentra en equilibrio de traslación cuando la fuerza resultante de todas las fuerzas que actúan sobre él es nula: ∑ F = 0.

Desde el punto de vista matemático, en el caso de fuerzas coplanarias, se tiene que cumplir que la suma aritmética de las fuerzas o de sus componentes que están el la dirección positiva del eje X sea igual a las componentes de las que están en la dirección negativa

SEGUNDA CONDICIÓN 

Por otro lado, diremos que un cuerpo está en equilibrio de rotación cuando la suma de todas las fuerzas que se ejercen en él respecto a cualquier punto es nula. O dicho de otro modo, cuando la suma de los momentos de torsión es cero.

En este caso, desde el punto de vista matemático, y en el caso anterior en el que las fuerzas son coplanarias; se tiene que cumplir que la suma de los momentos o fuerzas asociados a las rotaciones anti horarias (en el sentido contrario de las agujas del reloj), tiene que ser igual a la suma aritmética de los momentos o fuerzas que están asociados a las rotaciones horarias (en el sentido de las agujas del reloj).

LEYES DE NEWTON

LAS LEYES DE NEWTON

PRIMERA LEY

La primera ley de Newton, establece que un objeto permanecerá en reposo o con movimiento uniforme rectilíneo al menos que sobre él actúe una fuerza externa. Puede verse como un enunciado de la ley de inercia, en que los objetos permanecerán en su estado de movimiento cuando no actuan fuerzas externas sobre el mismo para cambiar su movimiento.

SEGUNDA LEY

La segunda ley de Newton, establece que la aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa.

De esta forma podemos relacionar la fuerza y la masa de un objeto con el siguiente enunciado:

TERCERA LEY

Siempre que un objeto ejerce una fuerza sobre un segundo objeto, el segundo objeto ejerce una fuerza de igual magnitud y dirección opuesta sobre el primero. Con frecuencia se enuncia como "A cada acción siempre se opone una reacción igual". En cualquier interacción hay un par de fuerzas de acción y reacción, cuya magnitud es igual y sus direcciones son opuestas. Las fuerzas se dan en pares, lo que significa que el par de fuerzas de acción y reacción forman una interacción entre dos objetos.

Cinemática y los tipos de movimiento

¿Que es la cinemática?

Proviene del griego (kineo) movimiento y es la rama de la física que estudia las leyes del movimiento de los objetos sólidos sin considerar las causas que lo originan (las fuerzas) y se limita, principalmente, al estudio de la trayectoria en función del tiempo. Para ello utiliza la velocidad y la aceleración, que son las dos principales magnitudes que describen cómo cambia la posición en función del tiempo. La velocidad se determina como el cociente entre el desplazamiento y el tiempo utilizado, mientras que la aceleración es el cociente entre el cambio de velocidad y el tiempo utilizado.

Conceptos de movimiento

• Distancia 

La distancia es la magnitud del desplazamiento de un objeto sin indicar la dirección en la que se dirige, esta magnitud es una magnitud escalar porque si recordamos en una magnitud escalar solo se presenta la cantidad y su respectiva unidad, no se contempla un sentido y una dirección.

• Desplazamiento 

Es solo el cambio de posición de un cuerpo, a medida que cambie de posición, el desplazamiento se define por la diferencia entre la posición final y la posición inicial del cuerpo

• Rapidez 

Es una magnitud escalar que relaciona la distancia recorrida con el tiempo.

• Velocidad 

Es una magnitud vectorial que relaciona el cambio de posición (o desplazamiento) con el tiempo.

• Aceleración 

Es el cambio de le velocidad, si aumenta es positiva y si disminuye es negativa.

Movimiento rectilíneo 

Es aquél cuya trayectoria es una línea recta.

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

Movimiento rectilíneo uniforme

Movimiento de trayectoria rectilínea con una velocidad constante.

Formula:    v=velocidad         d=distancia        t=tiempo

Ejercicios de MRU

Movimiento rectilíneo uniformente variado

Este movimiento a diferencia del MRU se desplaza sobre una trayectoria estando sometido a una aceleración constante. 

Formulas Vf= velocidad final  Vo=velocidad inicial  d=distancia  a=aceleración  t=tiempo

Ejercicios de MRUV

Caída libre y tiro vertical 

El tiro vertical es el movimiento hacia arriba el cual siempre lleva una velocidad inicial la cual va disminuyendo hasta llegar a cero donde se detiene donde posteriormente empieza bajar hasta ser detenido a este movimiento se llama caída libre.

Formulas g=aceleración de la gravedad  t=tiempo  y=altura  Vi=velocidad inicial  

Ejercicios de caída libre

Movimiento de proyectiles 

Se denomina movimiento parabólico al realizado por un objeto cuya trayectoria describe una parábola. Se corresponde con la trayectoria ideal de un proyectil que se mueve en un medio que no ofrece resistencia al avance y que está sujeto a un campo gravitatorio uniforme.

Puede ser analizado como la composición de dos movimientos rectilíneos: un movimiento rectilíneo uniforme horizontal y un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado vertical.

Formulas

Ejercicios de tiro de proyectiles

Movimiento Circulas
Se define movimiento circular como aquél cuya trayectoria es una circunferencia.

Conceptos

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

Formulas

Ejercicios de movimiento circular