Segunda semana del primer periodo grado décimo

Movimiento Rectilíneo Uniforme (M.R.U.)

El movimiento rectilíneo uniforme (m.r.u.), es aquel con velocidad constante y cuya trayectoria es una línea recta. Un ejemplo claro son las puertas correderas de un ascensor, generalmente se abren y cierran en línea recta y siempre a la misma velocidad.

 

 

Observa que cuando afirmamos que la velocidad es constante estamos afirmando que no cambia ni su valor (también conodido como módulo, rapidez o celeridad) ni la dirección del movimiento.

Un movimiento rectilíneo uniforme (m.r.u.) es aquel que tiene su velocidad constante y su trayectoria es una línea recta. Esto implica que:

• El espacio recorrido es igual que el desplazamiento.
• En tiempos iguales se recorren distancias iguales.
• La rapidez o celeridad es siempre constante y coincide con el módulo de la velocidad.

Velocidad

En los m.r.u. la velocidad del cuerpo es constante y por tanto igual a la velocidad inicial. Su unidad en el Sistema Internacional (S.I.) es el metro por segundo (m/s). 

 

v=v₀ =cte

donde:

• v es la velocidad.
• v₀ es la velocidad inicial.

 

Posición

Su unidad en el Sistema Internacional (S.I.) es el metro (m) y se obtiene por medio de la siguiente expresión: 

x=x₀ +v⋅t

donde:

• x₀ es la posición inicial.
• v es la velocidad que tiene el cuerpo a lo largo del movimiento.
• t es el intervalo de tiempo durante el cual se mueve el cuerpo.

Observa lo que t representa en la ecuación de posición: El intervalo de tiempo durante el cual se mueve el cuerpo. Dicho intervalo a veces es representado por t y otras por ∆t. En cualquiera de los casos, (t=∆t = tf - ti) siendo tf y ti los instantes de tiempo inicial y final respectivamente del movimiento que estamos estudiando.

Aceleración

Su unidad en el Sistema Internacional (S.I.) es el metro por segundo al cuadrado (m/s² ). Su valor a lo largo del movimiento siempre es cero.

Por último, cuando tengas que usar las ecuaciones anteriores recuerda el siguiente convenio de signos:

• La posición del cuerpo se considera de igual signo que el semieje (semieje positivo o semieje negativo) en el que se encuentre.
• La velocidad se considera de igual signo que el sentido del eje (sentido positivo o sentido negativo) en el que se desplace. 

Primera semana del primer periodo grado décimo

Física

 

Es la ciencia natural que estudia, mediante leyes fundamentales, la energía, la materia, el tiempo y el espacio, es decir, el universo mismo. La física es una de las disciplinas académicas más antiguas, cuyas raíces se remontan a los inicios de la civilización, cuando el hombre empezó a tratar de entender las fuerzas que regían el mundo a su alrededor.

 

Se trata de una disciplina tanto teórica (describe las leyes del universo) como experimental (pone en práctica de hipótesis respecto a dichas leyes), y se adhiere al modelo de comprobación y legitimación impulsado por el método científico. Es una de las ciencias fundamentales o centrales que existen, y dentro de su campo de estudio convergen a menudo la química, la biología y la electrónica, entre otras.

 

Inicialmente la física formaba parte, como tantas otras ciencias, de la filosofía o la filosofía natural de la antigüedad, pero a partir de la Revolución Científica del siglo XVII surgió como un campo independiente, interesado en las leyes fundamentales de la realidad y empleando el lenguaje formal de las matemáticas para expresarlas. En la actualidad, en cambio, la física es una de las disciplinas que más contribuye con el cambio del paradigma científico, industrial y tecnológico.

 

La física como la conocemos hoy se describe mediante cuatro marcos teóricos que dependen del tamaño de la materia en estudio y de la velocidad de su movimiento. Estos son:

• Mecánica clásica: Se ocupa de los movimientos perceptibles en cuerpos macroscópicos, cuyas velocidades son muy pequeñas en comparación con la velocidad de la luz.

• Mecánica relativista: Sustentada en los desarrollos teóricos de Albert Einstein durante el siglo XX, se asemeja a la clásica en su carácter determinista. Sin embargo, la mecánica relativista describe fenómenos que se encuentran dentro del marco de la teoría de la relatividad especial, que describe el comportamiento de los cuerpos que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz; y de la Teoría general de la relatividad, que es una formulación teórica para el campo gravitatorio (gravedad).

• Mecánica cuántica: Estudia sistemas de muy pequeña escala, como los átomos y las partículas elementales. Describe sus interacciones mediante las tres fuerzas que imperan a estas escalas: la fuerza fuerte, débil y electromagnética.

 

• Teoría cuántica de campos: Es un formalismo matemático para describir la mecánica cuántica tratando a las partículas como campos. Resulta muy útil, por ejemplo, a la hora de estudiar el campo electromagnético. En la mecánica cuántica, se describe al campo electromagnético como un conjunto de partículas elementales llamadas fotones. La teoría cuántica de campos, por otra parte, lo trata como un sistema de campos continuos.

 

La física se ocupa de las leyes fundamentales del universo, es decir, de entender y describir la mecánica con que el universo opera. Estas leyes se describen mediante cuatro interacciones fundamentales:

• Gravedad: La fuerza de atracción existente entre dos o más cuerpos masivos (que tienen masa). Cuanto más masivos son los cuerpos, más intensa es la fuerza y más alcance tiene su efecto.

• Electromagnetismo: La fuerza de atracción o repulsión que se manifiesta entre partículas cargadas eléctricamente.

• Fuerzas nucleares débiles: También llamada interacción débil, es una fuerza que existe entre partículas fundamentales, es de muy corto alcance y es la responsable de los decaimientos atómicos y de la radiactividad.

• Fuerzas nucleares fuertes: Es una fuerza de atracción que mantiene unidos a los neutrones y los protones en el núcleo del átomo, venciendo la repulsión electromagnética entre estos últimos (cargados positivamente).

Tercera semana del cuarto periodo grado décimo

Energía térmica

 

La energía térmica se refiere a la energía contenida en un sistema que es responsable de su temperatura. Una rama de la física, la termodinámica, estudia cómo el calor se transfiere entre diferentes sistemas y cómo se realiza un trabajo en el proceso.

 

En el contexto de problemas de mecánica, generalmente estamos interesados en el papel que desempeña la energía térmica en garantizar la conservación de la energía. Casi cualquier transferencia de energía que ocurre en sistemas físicos reales se da con una eficiencia menor del 100% y resulta en algo de energía térmica. Esta energía suele ser energía térmica de bajo nivel, lo que significa que su temperatura asociada es cercana a la del medio ambiente. Solo es posible extraer trabajo cuando hay una diferencia de temperatura, de modo que la energía térmica de bajo nivel representa "el final del camino" de la transferencia de energía. Yo no es posible ningún trabajo útil; la energía se ha "perdido en los alrededores".  

Si la temperatura que alcanza un sistema es alta en relación con el medio ambiente, entonces podría ser viable recuperar algo de energía usando una máquina termica secundaria. Por ejemplo, la recuperación del calor residual de los escapes de los motores de los vehículos es un tema de investigación activo. Sin embargo, el efecto general cuando se considera el sistema (motor + dispositivo de recuperación) es solo un aumento en la eficiencia. El "fin del camino" sigue siendo energía térmica de bajo nivel.

 

Cuando hablamos del sistema, nos referimos a una colección de todas las partes que interactúan entre sí y que son relevantes para algún dispositivo físico particular. En la definición del sistema necesariamente estamos excluyendo interacciones con algunos objetos que colectivamente llamamos los alrededores. Si se transfiere energía térmica a los alrededores, entonces la energía ya no se conserva en el sistema.

 

La energía térmica a partir de la fricción

Considera el ejemplo de un hombre que empuja una caja por un piso áspero a velocidad constante, como se muestra en la siguiente figura. Puesto que la fuerza de fricción es no conservativa, el trabajo hecho no se almacena como energía potencial. Todo el trabajo realizado por la fuerza de fricción resulta en una transferencia de energía en energía térmica del sistema piso-caja. Esta energía térmica fluye como calor dentro de la caja y el piso. En última instancia eleva la temperatura de ambos objetos.

 

Podemos encontrar el cambio en la energía térmica total $\Delta E_T$delta, E, start subscript, T, end subscript del sistema piso-caja al hallar el trabajo total realizado por la fricción mientras la persona empuja la caja. Recuerda que la caja se mueve a velocidad constante. Esto significa que la fuerza de fricción y la fuerza aplicada son iguales en magnitud. Por lo tanto, el trabajo realizado por estas dos fuerzas también es igual.

 

Al usar la definición del trabajo realizado por una fuerza paralela al movimiento de un objeto en de una distancia $d$:

 

$W=F\cdot d$W, equals, F, dot, d

$\mathrm{ }$

$\mathrm{\Delta }{E}_T=F_{\mathrm{f}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{i}\acute{\mathrm{o}}\mathrm{n}}\cdot d$

$$delta, E, start subscript, T, end subscript, equals, F, start subscript, f, r, i, c, c, i, o, with, acute, on top, n, end subscript, dot, d

Si el coeficiente de friction dinámica es ${\mu }_k$mu, start subscript, k, end subscript, entonces también podemos escribir esta relación como:

$\Delta E_T={\mu }_k{F}_{n}d$

 

Energía térmica debida al arrastre

La fuerza de arrastre sobre un objeto en movimiento debida a un fluido como el aire o el agua es otro ejemplo de una fuerza no conservativa, lo mismo el arie, que es un fluido. Aunque no es tan denso como el agua u otros fluidos, fluye en la misma forma. Un fluido es cualquier sustancia que fluye; esto incluye líquidos y gases.

 

Cuando un objeto se mueve a través de un fluido, transfiere parte de su momento y pone el fluido en movimiento. Si el objeto se detuviera, de todas formas quedaría algo de movimiento residual en el fluido, que dejaría de moverse solo después de cierto tiempo. Lo que está sucediendo aquí es que los movimientos a gran escala del fluido eventualmente se redistribuyen en muchos movimientos aleatorios más pequeños de las moléculas que lo componen. Estos movimientos representan un aumento en la energía térmica del sistema.

 

En la Figura 2 se muestra un sistema con un eje de transmisión suspendido en el interior de depósito de agua térmicamente aislado. Hay dos paletas unidas al eje, que ponemos a rotar. En este sistema, cualquier trabajo realizado al rotar el eje resulta en una transferencia de energía cinética al agua. Si después de un tiempo dejamos de aplicar la fuerza que hace rotar el eje, todavía habrá algo de movimiento residual. Sin embargo, este eventualmente se detendrá, y todo el proceso resultará en un aumento en la energía térmica del agua.

 

Curiosamente, un sistema similar al que se muestra en la siguiente figura, fue utilizado por James Prescott Joule (1818 – 1889). Es por él que las unidades de energía en el sistema SI llevan ese nombre. Joule puso en movimiento una paletas giratorias sumergidas en un tanque lleno de aceite de ballena por medio de la acción de unas pesas, y pudo determinar la relación entre el trabajo mecánico y el calor. Esto llevó al establecimiento de la ley de la conservación de la energía y de la primera ley de la termodinámica.