analisis dimensiones

DIMENSIONES (Coquito va a la Universidad)

ANÁLISIS DIMENSIONALIntroducción

1. Magnitudes físicas.Las propiedades que caracterizan a los cuerpos o a los fenómenos naturales y que se pueden medir reciben el nombre de Magnitudes Físicas. Así por ejemplo tenemos la longitud, la masa, la velocidad, la temperatura, etc. Mientras que otras propiedades como el color, el sabor, la bondad, la belleza no son magnitudes físicas, ya que no se pueden medir.Entre las magnitudes físicas hay algunas que son independientes de las demás y se denominan "Magnitudes fundamentales" como la masa, la longitud, el tiempo, etc. Así como también existen magnitudes físicas, que dependen de las fundamentales para ser expresadas, las cuales se denominan "Magnitudes derivadas”, este es el caso de la velocidad, que se define mediante una relación entre la longitud y el tiempo.

2. EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) Es un conjunto de unidades de magnitudes fundamentales a partir del cual se debe expresar cualquier unidad de una magnitud derivada. Este fue un acuerdo común tomado por la mayor parte del mundo el 14 de octubre de 1960 en Francia.

3. FÓRMULA DIMENSIONALLa fórmula dimensional de una magnitud dada, es una fórmula que muestra que operaciones de multiplicación o división hay que efectuar con las magnitudes físicas fundamentales para obtener la magnitud derivada.

Notación: sea X la magnitud física, entonces:

: se lee fórmula dimensional de la magnitud física X. Ejemplos:

Lic. WALTER PEREZ TERREL/ 997089931/ [email protected] Página 1

Nombre Dimensión Unidad Básica Símbolo

Longitud L metro m

Masa M kilogramo kg

Tiempo T segundo s

Temperatura termodinámica

kelvin K

Intensidad de corriente eléctrica

I ampere A

Intensidad luminosa Jcandela

cd

Cantidad de sustanciaN mol mol


4. DIMENSIÓNLa dimensión indica las veces en que varía la magnitud física fundamental en una magnitud derivada.

La fórmula dimensional está dada en función de siete magnitudes fundamentales. Así mismo los exponentes a, b, c, d, e, f y g se llaman dimensiones.

5. MAGNITUDES FÍSICAS DERIVADASSon aquellas magnitudes que se expresan en función de las magnitudes físicas fundamentales.

Desplazamiento lineal LDesplazamiento angular 1Frecuencia T–1

Energía cinética M.L2.T–2

Energía potencial gravitatoria M.L2.T–2

Cantidad de carga eléctrica I.TPeso específico M.L–2.T–2

6. REGLAS DIMENSIONALESa) Si el valor numérico de la magnitud X es igual al producto (cociente) de los valores numéricos de las magnitudes A y B, entonces la dimensión de X será igual al producto (cociente) de las dimensiones A y B

Si: X =A.B [X] = [A] . [B]

Si: X = [X] = [A] . [B]–1

b) Si el valor numérico de la magnitud X es igual a la potencia “m” del valor numérico de la magnitud A, entonces la dimensión de X es igual a la potencia n/m de la dimensión de A.

Si: X = An/m [X] = [A]n/m

Si: X = An [X] = [A]n ; Si: X = A1/m [X] =[A]1/m

c) Si el valor numérico de la magnitud X es un coeficiente constante (número; ángulo en radianes; función trigonométrica, función logarítmica;......etc.) que es independiente de la dimensión de las magnitudes (unidades) fundamentales, entonces la dimensión de X es nula, y X es denominada “adimensional”.

Si: X = número [X] = 1Si: X = Sen [X] = 1



Si: X = LogN [X] = 1Si: X = constante numérica (adimensional)

7. ECUACIONES DIMENSIONALESSon aquellas ecuaciones que, expresadas en términos de magnitudes físicas, se verifican para un determinado conjunto de magnitudes o dimensiones.

Donde al resolver la ecuación obtenemos:

y

8. PRINCIPIO DE HOMOGENEIDAD DIMENSIONALEn toda fórmula física que expresa la relación entre las diferentes magnitudes físicas, las dimensiones en el primer miembro y segundo miembro, deben ser iguales.Sea la fórmula física:A = B2 [A] = [B2]

En general, todos los términos de una fórmula física son dimensionalmente igualesA = B2 + C [A] = [B2] = [C]

EJEMPLO 01: La posición de una partícula sobre el eje X está dada por:

donde, x: distancia y T: tiempo. Determinar:

ResoluciónAplicamos el principio de homogeneidad dimensional:

Despejando tenemos:

La fórmula dimensión de un número es igual a la unidad.

Finalmente:

9. FÓRMULAS EMPÍRICASSon aquellas formulas físicas que se obtienen a partir de datos obtenidos en el laboratorio o de la vida cotidiana.

EJEMPLO 01: El periodo (T) de un péndulo simple depende de la longitud de la cuerda (l) y de la aceleración de la gravedad (g). La constante de proporción es



ResoluciónEscribimos el periodo T en función de la longitud de la cuerda y de la aceleración de la gravedad, donde x e y son las dimensiones que queremos determinar:

…… (1)

Aplicando el principio de homogeneidad dimensional tenemos:

Reemplazando la fórmula dimensional:

A bases iguales le corresponden exponentes iguales:

L: 0 = x + y …….. (2)T: 1 = -2y ……….. (3)Resolviendo las ecuaciones (2) y (3):x = ½ e y = -1/2

Reemplazando en la ecuación (1) tenemos que:

10. FINES Y OBJETIVOS DEL ANÁLISIS ADIMENSIONALa) Expresar las magnitudes derivadas en función de las magnitudes fundamentales.b) Comprobar la veracidad de las fórmulas físicas mediante el principio de homogeneidad dimensional.c) Determinar fórmulas físicas empíricas a partir de datos experimentales en el laboratorio.

11. PROBLEMAS RESUELTOS

Problema 01: La posición de una partícula sobre el eje X está dada por:



Despejando tenemos:

La fórmula dimensión de un número es igual a la unidad.

Finalmente:



Problema 02: La siguiente es una fórmula física correcta: donde; Q: caudal

(m3/s), A: área; g: aceleración de la gravedad, h: altura. Determinar la fórmula dimensional de K.


Despejando:

Respuesta: K representa una cantidad sin dimensiones, es decir es un número.

Problema 03: En la ecuación AB + BC + AC = P2, donde P representa a la presión, la fórmula dimensional del producto A.B.C es:


Despejando tenemos que:

…(1)

…(2)

…(3)

Multiplicando miembro a miembro:

Sacando la raíz cuadrada a ambos miembros:

Finalmente:

Problema 04: Determine la fórmula dimensional de A en la siguiente fórmula física:

; donde, F: fuerza; T: tiempo; M: masa; V: velocidad


Comparando los dos primeros términos:

Reemplazando:



Respuesta: Vemos que A representa una cantidad sin dimensiones, es decir es un número.

Problema 05: Si la ecuación es dimensionalmente homogénea, en donde V

= volumen, t = tiempo y h = altura, determine la fórmula dimensional de .


Analizando: …(1)

Despejando tenemos: …(2)

Analizando:

Despejando tenemos: …(3)

Reemplazando (1), (2) y (3) calculamos:

Finalmente:

Problema 06: El periodo (T) de un péndulo simple depende de la longitud de la cuerda (l) y de la aceleración de la gravedad (g).

ResoluciónEscribimos el periodo T en función de la longitud de la cuerda y de la aceleración de la gravedad, donde x e y son las dimensiones que queremos determinar:

…… (1)






L: 0 = x + y …….. (2)T: 1 = -2y ……….. (3)Resolviendo las ecuaciones (2) y (3):x = ½ e y = -1/2 Reemplazando en la ecuación (1) tenemos que:

Problema 07: La velocidad V de propagación de una onda mecánica, en una cuerda tensa, depende del módulo de la tensión T en la cuerda y de la densidad lineal de masa (masa/ longitud). Determine la fórmula empírica para determinar la velocidad de propagación.

ResoluciónEscribimos la velocidad en función de la tensión (fuerza) T y la densidad lineal :

… (*)

donde K representa una constante numérica, donde x e y son las dimensiones que queremos determinar.




Base M: 0 = x + y …(1)Base L: 1 = x – y …(2)Base T: …(3)

Reemplazando en (1): Reemplazando en la ecuación inicial (*):



Finalmente obtenemos:

Respuesta: La rapidez de la onda es directamente proporcional a la raíz cuadrada del módulo de la tensión en la cuerda.

Problema 08: La velocidad V el sonido en un gas depende de la presión P y de la densidad D del mismo gas. Determine la fórmula física para determinar la velocidad del sonido en cualquier gas.

ResoluciónEscribimos la velocidad V en función de la presión y de la densidad.

…. (*)




Base M: 0 = x + y … (1)Base L: 1 = -x +3 y … (2)Base T: … (3)

Reemplazando en (1): Reemplazando en la ecuación inicial (*):

Respuesta: La rapidez del sonido es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la presión.

Problema 09: ¿Cuál es la lectura correcta de la siguiente cantidad de física ?

A) kilogramo por metro sobre segundo.B) kilogramo por metro por segundo.C) kilogramo metro por segundo.D) kilogramo metro segundo.E) Ninguna anterior ResoluciónNorma del sistema internacional de unidades:Sea A y B unidad de magnitudes físicas.A.B: se lee, “AB”



: se lee, “A por B”

, se lee, kilogramo metro por segundo.

Respuesta: C

Problema 10: Si las siguientes expresiones son dimensionalmente homogéneas ;

, determine las fórmula dimensional de . Considere P: presión, A: trabajo

ResoluciónAnalicemos a la fórmula:

Principio de homogeneidad dimensional:

Respuesta: La fórmula dimensional de es

Problema 11: La ecuación es dimensionalmente correcta. E:

intensidad del campo eléctrico. , donde F: es fuerza eléctrica y q: es la cantidad de

carga eléctrica, “x” la posición y “t” el tiempo. Determine la formula dimensional de .

Resolución

Aplicación del principio de homogeneidad dimensional:

Remplazando:

Respuesta: La fórmula dimensional es

Problema 12: La deformación lineal (en metros) de una viga de largo L, de área de la sección recta A y sometida a una fuerza de tracción F se expresa mediante la ecuación

. Determine la fórmula dimensional de E.

ResoluciónAplicación del principio de homogeneidad dimensional:

Despejando tenemos:




Problema 13: Cierto fenómeno físico puede ser escrito por la siguiente ecuación empírica

siendo m: masa, a: aceleración, t: tiempo, S: área. Determine la fórmula

dimensional de “k”.


donde


Problema 14: La ecuación que describe el flujo de un fluido ideal está dada por la ecuación:

, en donde D: energía por unidad de volumen, : densidad, g:

aceleración de la gravedad. Determine la fórmula dimensional de .




Finalmente tenemos que:



Respuesta: La fórmula dimensional de es T.

Problema 15: La energía radiante E que emite un cuerpo caliente de área A que se encuentra a una temperatura absoluta T en un intervalo de tiempo se determina con la ecuación

, donde es una constante adimensional. ¿Cuál es la expresión dimensional de ?



Respuesta: La expresión dimensional es

Problema 16: La representación mediante símbolos de la unidad joule por kilogramo kelvin, es:

A) B) C) D) E)

ResoluciónNorma del sistema internacional de unidades:Sea A y B unidad de magnitudes físicas.A.B: se lee, “AB”

: se lee, “A por B”

joule por kilogramo kelvin:

Respuesta: D

Problema 17: El desplazamiento de una partícula en trayectoria rectilínea con aceleración constante “a” está dada por , donde “t” es el tiempo, “k” constante adimensional. Encontrar los valores de m y n. Dar como respuesta (m + n).


”A bases iguales le corresponden exponentes iguales”L: …(1)M: , entonces …(2)



reemplazando (1) en (2):

Respuesta:

Problema 18: Experimentalmente se obtiene que la potencia (P) de descarga del chorro de agua sale de una tubería es directamente proporcional al densidad (D) del agua, a su velocidad (V) y al área de la sección transversal (A) de dicha tubería. Determine el exponente que afecta a la velocidad.

ResoluciónAplicación del principio de homogeneidad dimensional:donde K es constante adimensional.

”A bases iguales le corresponden exponentes iguales”M: T: L:

Respuesta: El exponente que afecta a la velocidad es

Problema 19: En la expresión: determine la fórmula dimensional de , si

V: volumen t; tiempo y H: altura.

ResoluciónAplicación del principio de homogeneidad dimensional. La fórmula dimensional de a es:

La fórmula dimensional de b es:

La fórmula dimensional de c es:

Reemplazando en:



Respuesta: La fórmula dimensional de es

Problema 20: La potencia que requiere la hélice de un helicóptero viene dada por: , donde K es un numero, R el radio de la hélice, es la rapidez angular, y D

es la densidad del aire. Determine


”A bases iguales le corresponden exponentes iguales”M: … (1)

T: …(2)

L: …(3)

Reemplazando en:

Respuesta:

Problema 21: La ley de Isaac Newton de la gravitación universal se expresa mediante la

relación: , donde F: es la fuerza gravitacional, m y M son las masas y r es la

distancia entre ellas. ¿Cuál es la expresión dimensional de G?


Respuesta:

Problema 22: Experimentalmente se ha determinado que la fuerza de sustentación que actúa sobre el ala de un avión depende del área S del ala, de la densidad D del aire y la velocidad V del avión. Determine la dimensión de la velocidad.

ResoluciónLa formula empírica es: , donde k es un número.Aplicación del principio de homogeneidad dimensional:



”A bases iguales le corresponden exponentes iguales”M: T:

L:

Respuesta: La dimensión de la velocidad es 2.

Problema 23: La fuerza resistiva sobre un glóbulo rojo (esférico) en la sangre depende del radio R, de la velocidad V y la viscosidad . Experimentalmente se ha demostrado que si R = 2 , V = y . La fuerza resistiva es .

Determine la fórmula empírica que permite determinar el valor de la fuerza resistiva.

ResoluciónLa formula empírica es: , donde k es un número.Aplicación del principio de homogeneidad dimensional:


L:

La fórmula empírica es:

Reemplazando los datos en la formula empírica:

Despejando:

Respuesta: La fórmula empírica es

Problema 24: Determine la fórmula dimensional de C en la siguiente fórmula física:

donde, m: masa; v: velocidad; F: fuerza; H: altura

ResoluciónEn el proceso el valor del exponente se respeta: Aplicación del principio de homogeneidad dimensional:



Respuesta: C es una cantidad adimensional.

Problema 25: Determine la fórmula dimensional de A.B.C en la siguiente fórmula física:

donde, t : tiempo


La fórmula dimensional de A es:

La fórmula dimensional de B es:

La fórmula dimensional de C es:

Reemplazando en:

Respuesta:

Problema 26: Determine la fórmula dimensional de H en la siguiente formula física:

donde, D: densidad g: gravedad h: altura P: presión


Respuesta: H es una cantidad adimensional

Problema 27: La expresión dimensional del producto de la masa por la velocidad es igual a la expresión dimensional de:A) Energía multiplicada por el tiempo. B) Potencia multiplicada por el tiempo.C) Densidad multiplicada por la potencia. D) Fuerza multiplicada por la velocidad. E) Fuerza multiplicada por el tiempo.



ResoluciónLa masa por la velocidad es el módulo de la cantidad de movimiento o impulso.Aplicación del principio de homogeneidad dimensional:El impulso de define como el producto de la fuerza por el tiempo.

Respuesta: E

Problema 28: Determine la fórmula dimensional de B, en la siguiente expresión que

dimensionalmente homogénea:

donde: T = trabajo; P = presión; =densidad


Respuesta:

Problema 29: En la ecuación es dimensionalmente homogénea, donde, X: distancia, t: tiempo.

Determine la fórmula dimensional de


La fórmula dimensional de A es:


La fórmula dimensional de C es:

La fórmula dimensional de D es:

Reemplazando en:



Respuesta:

Problema 30: Si las ecuaciones mostradas son dimensionalmente correctas, determine la fórmula dimensional de “X”: A + B = C + D, donde A.B = 6 (kg.m)2 y

2A + 3H = 4C + 5E + X.F donde .



Reduciendo tenemos que:

Analizado:

Respuesta:

Problema 31: Si la siguiente ecuación es dimensionalmente homogénea, determine la fórmula dimensional de “X”: , donde, A: longitud, t : tiempo.



Respuesta:

Problema 32: En un experimento de física, un estudiante desea encontrar la velocidad del aire “V” que genera un ventilador mecánico, la cual depende de la fuerza “F” del aire, la potencia “P” desarrollada por la persona que acciona el ventilador y la fuerza de rozamiento “K”, encontrando la siguiente ecuación:

Determine la fórmula dimensional




La fórmula dimensional de es:


Reemplazando en:

Respuesta:

Problema 33: En la siguiente ecuación dimensionalmente homogénea

, donde “A” es la amplitud (en metros), “t” es el tiempo (en

segundos) y “x” es la posición (en metros). Determine la fórmula dimensional de



La fórmula dimensional de J es:

La fórmula dimensional de K es:

Reemplazando en:



Respuesta:

Problema 34: Si N = 5 m2, S se mide en segundos, y A representa la aceleración, entonces la relación dimensionalmente correcta es:

A) B) A = N.S C) D) E)


La relación de A con N y S es: ….(1)


”A bases iguales le corresponden exponentes iguales”L:

T:

Reemplazando en (1):

Respuesta: C

Problema 35: En la siguiente fórmula física: , determine el valor de “x”, donde: k: número W : trabajo, m : masa C : velocidad


”A bases iguales le corresponden exponentes iguales”

Respuesta: el valor de x es 2.

Problema 36: Determine el valor de “x” en la siguiente fórmula física:



donde, d: distancia a: aceleración T: tiempo K: número


”A bases iguales le corresponden exponentes iguales”

Respuesta: el valor de x es 2.

Problema 37: Si la siguiente ecuación es dimensionalmente homogénea, determine la

fórmula dimensional de “n”: , donde

P: presión, v: volumen, u: energía, i: intensidad de corriente eléctrica



Respuesta:

Problema 38: Se tiene la siguiente ecuación homogénea, donde E es la energía, “e” es un número y “a” es la longitud, si:

, determine la fórmula dimensional de




…(1)


…(2)

Reemplazando (1) y (2) en:

Respuesta:

Problema 39: La altura máxima H que alcanza una partícula, depende de la rapidez de lanzamiento vertical V y de la aceleración de la gravedad, y tiene la siguiente forma:

. Determine (x-y)

Resolución

El exponente es siempre adimensional:


”A bases iguales le corresponden exponentes iguales”L: T: Resolviendo las ecuaciones tenemos:

Respuesta:

Problema 40: La aceleración centrípeta “ ” de una partícula, depende de la velocidad tangencial V y del radio de curvatura R de la trayectoria. Determine la dimensión que afecta a R.

Resolución

La formula empírica es: , donde k es un número.




”A bases iguales le corresponden exponentes iguales”L: …(1)

T: …(2)

Reemplazando (2) en (1):

Respuesta: la dimensión de R es

Problema 41: El tiempo transcurrido “t” de caída libre depende de la altura “h” que desciende y de la aceleración de la gravedad “g”. Sabiendo que: , determine (a-b).



T: …(2)


Respuesta:

Problema 42: El periodo de oscilación J de un péndulo simple, depende de la longitud Q de la cuerda y de la aceleración de la gravedad W, y tiene la siguiente forma: . Determine la fórmula empírica para determinar el periodo de oscilación:ResoluciónAplicación del principio de homogeneidad dimensional:


T: …(2)


Respuesta:



Problema 43: La fórmula que determina el módulo de la fuerza centrípeta F que experimenta una partícula, depende de la masa “m”, de la rapidez angular y del radio de curvatura de la trayectoria R. Determinar los exponentes que deben tener las tres variables físicas para establecer una igualdad dimensionalmente correcta.

ResoluciónLa fórmula empírica es: …(1)


”A bases iguales le corresponden exponentes iguales”M: L: T: Reemplazando en (1):

Respuesta:

Problema 44: La velocidad critica V a la cual el flujo de un líquido a través de un tubo se convierte en turbulento, depende de la viscosidad , de la densidad del fluido , del diámetro D del tubo, de la constante adimensional R. Determine la fórmula empírica para calcular la velocidad en función de , , D y R. La fórmula dimensional de la viscosidad es:

Resolución

Fórmula empírica: …(1)



L:

Reemplazando en (1):



Respuesta:

Problema 45: La fuerza de rozamiento en el interior de un fluido sobre una esfera en movimiento de depende de la viscosidad del liquido (n), el radio de la esfera (r) y la rapidez de la esfera (v): . La fórmula dimensional de la viscosidad es: .

Determinar



L:

Reemplazando en:

Respuesta:

Problema 46: La presión “P” que ejerce el flujo de agua sobre una pared vertical viene dad por la siguiente fórmula empírica: donde, Q: caudal (m3/s) d: densidad del agua, A: área de la placa, : constante adimensional. Determine:



L:

Reemplazando en:

Respuesta:

Problema 47: La presión que un fluido ejerce sobre una pared, depende de la velocidad V



del fluido, de su densidad D y tiene la siguiente forma: . Determinar la fórmula física correcta.

Resolución.Aplicación del principio de homogeneidad dimensional:

”A bases iguales le corresponden exponentes iguales”M: T: Reemplazando en: Respuesta:

Problema 48: La energía por unidad de longitud ( ) de una cuerda vibrante, depende de un coeficiente , de la masa por unidad de longitud ( ), de la frecuencia ( ) y de la amplitud del movimiento( ). Determinar los exponentes que deben tener las tres variables físicas para establecer una igualdad dimensionalmente correcta.

ResoluciónLa fórmula empírica es: Aplicación del principio de homogeneidad dimensional:

”A bases iguales le corresponden exponentes iguales”M: T: L:


Respuesta:

Problema 49: La cantidad de calor Q que disipa un conductor cuando por el circula una corriente eléctrica, depende de la intensidad de corriente eléctrica I, del valor de la resistencia R y del intervalo de tiempo transcurrido “t”. Determinar los exponentes que deben tener las tres variables físicas para establecer una igualdad dimensionalmente correcta.

ResoluciónLa fórmula empírica es:




”A bases iguales le corresponden exponentes iguales”M: I: T:


Respuesta:

Problema 50: Conociendo la fórmula física para determinar la cantidad de calor “Q” que gana o pierde un cuerpo: , donde “m” es la masa, representa el calor especifico y es el cambio de la temperatura. Determine la fórmula dimensional del calor específico.


Respuesta:

Problema 51: La intensidad de corriente eléctrica “i” se define como: , donde “q” es

la cantidad de carga eléctrica que atraviesa la sección recta de un conductor en un intervalo de tiempo . Determine la fórmula dimensional de la carga eléctrica.


Respuesta:

Problema 52: La diferencia de potencial se define como la cantidad de trabajo hecho

por el agente externo por cada unidad de cantidad de carga eléctrica . Si ,

determine la fórmula dimensional del potencial eléctrico.




Respuesta:

Problema 53: La diferencia de potencial entre los extremos de una resistencia R es directamente proporcional a la intensidad de corriente eléctrica que la atraviesa. Si

, determine la fórmula dimensional de la resistencia eléctrica.


Respuesta:

Problema 54: La capacidad eléctrica “C” de un cuerpo conductor se define como:

donde Q es la cantidad de carga que recibe el cuerpo y es el cambio de potencial eléctrico. Determine la fórmula dimensional de la capacidad eléctrica.


Respuesta:

Problema 55: La fuerza F que actúa sobre un alambre recto de largo L, por el cual circula una corriente eléctrica i, dentro de un campo magnético de intensidad B es: Determine la fórmula dimensional de la intensidad del campo magnético.


Respuesta:

Problema 56: El flujo magnético se define como el producto de la intensidad del campo magnético B, por el área A y por el coseno del ángulo. Determine la fórmula dimensional del flujo magnético.




Respuesta:

Problema 57: Si la longitud final de una barra al dilatarse está dada por la fórmula: donde es la longitud inicial de la barra, representa el coeficiente de

dilatación lineal y la variación de la temperatura. Determine la fórmula dimensional del coeficiente de dilatación lineal.


Respuesta:

Problema 58: El incremento de la entropía de un gas se calcula con la siguiente fórmula:

donde es la cantidad de calor absorbido por el gas a la temperatura absoluta

T. Determine la fórmula dimensional de la entropía.


Respuesta:

Problema 59: La energía cinética promedio de una molécula monoatómica de un gas se

determina con la fórmula: donde K representa a la constante de Boltzmann y T

la temperatura absoluta. Determine la fórmula dimensional de K.


Respuesta:

Problema 60: Se muestra la ecuación de estado termodinámico de un gas ideal: donde P es la presión, V el volumen, “n” cantidad de sustancia, R la constante universal de los gases y T la temperatura absoluta.




Respuesta:



PROBLEMAS PROPUESTOS DE DIMENSIONES

Principio de homogeneidad dimensional

1. En la ecuación AB + BC + AC = Q2, donde Q es caudal, la fórmula dimensional del producto A.B.C es:

2. La siguiente es una fórmula física correcta: , donde; Q: caudal (m3/s), A : área;

g : aceleración de la gravedad, h: altura. Determinar la fórmula dimensional de K.

3. La posición de una partícula sobre el eje X está dada por:


4. La posición de una partícula en el eje X está dada por:

donde; x se mide en metros y T en segundos. Determine:

5. Determine la fórmula dimensional de A en la siguiente fórmula física: ;

donde, F: fuerza; T: tiempo; M: masa; V: velocidad

6. Determine la fórmula dimensional de B en la siguiente fórmula física: ;

donde, m: masa; v: velocidad; F: fuerza; A: área

7. Determine la fórmula dimensional de C en la siguiente fórmula física:

donde, m: masa; v: velocidad; F: fuerza; H: altura

8. Determine la fórmula dimensional de D en la siguiente fórmula física:

donde: h: altura; g: aceleración, A: área

9. Determine la fórmula dimensional de “E”, en la siguiente fórmula : E = W

m

donde; W: trabajo m: masa

10. La fuerza F de atracción entre dos masas es directamente proporcional al producto de las masas ( m1 y m2) e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia “d”, como indica la

siguiente fórmula: . Determine la fórmula dimensional de la constante de

gravitación K.



11. Determine la fórmula dimensional de “Z”, en la siguiente fórmula : Z = B H

v t

.

donde, B : volumen t : tiempo v : velocidad

12. En la siguiente fórmula: R = A x

y

+

P U

x

; determine la fórmula dimensional de “R”

donde, A : aceleración U : fuerza

13. Determine la fórmula dimensional de a.b.c en la siguiente fórmula física:

donde, d : distancia t : tiempo

14. Determine la fórmula dimensional de A.B.C en la siguiente fórmula física:

donde, t : tiempo

15. Determine la fórmula dimensional de H en la siguiente formula física: H = D g h

P

. .

donde, D: densidad g: gravedad h: altura P: presión

16. Determine la fórmula dimensional de K en la siguiente fórmula física: K = X V A

E

. .

donde; X: distancia, V: velocidad, A: aceleración E: energía

17. La expresión dimensional del producto de la masa por la velocidad es igual a la expresión dimensional de:A) Energía multiplicada por el tiempo. B) Potencia multiplicada por el tiempo.C) Densidad multiplicada por la potencia. D) Fuerza multiplicada por la velocidad. E) Fuerza multiplicada por el tiempo.

18. Determine la fórmula dimensional de B, en la siguiente expresión que dimensionalmente

homogénea:

donde: T = trabajo; P = presión; =densidad

19. En la ecuación es dimensionalmente homogénea,

donde, X: distancia, t: tiempo. Determine la fórmula dimensional de

20. La ecuación que permite calcular el gasto o caudal que circula por un orificio de un deposito

es: , determine la fórmula dimensional de “C” siendo:

g: aceleración de la gravedad; Q: caudal ; A: área; h: altura



21. Si las ecuaciones mostradas son dimensionalmente correctas, determine la fórmula dimensional de “X”: A + B = C + D, donde A.B = 6 (kg.m)2 y

2A + 3H = 4C + 5E + X.F donde .

22. En la siguiente expresión física dimensionalmente correcta: V = V0 + a.t , donde “V” se mide

en m/s , “a” en m/s2 y “t” en segundos. Entonces las unidades de son:

23. Si la siguiente ecuación es dimensionalmente homogénea, determine la fórmula dimensional de “X”: , donde, A: longitud, t : tiempo.

24. En la siguiente fórmula física: A = Sen 30 B t. + Cos 60 C , determine la fórmula dimensional de A.B.C, donde, t : tiempo

25. En la siguiente ecuación dimensionalmente homogénea , donde “A”

es la amplitud (en metros), “t” es el tiempo (en segundos) y “x” es la posición (en metros).

Determine la fórmula dimensional de

26. En cierto planeta la fuerza F de atracción entre dos masas es directamente proporcional al producto de las masas ( m1 y m2) e inversamente proporcional al cubo de la distancia “d”,

como indica la siguiente fórmula: . Determine la fórmula dimensional de la

constante de gravitación K.

27. La fuerza F de repulsión, entre dos cargas eléctricas del mismo signo, es directamente proporcional al producto de las cargas (q1 y q2) en inversamente proporcional al cuadrado de

la distancia “d”, como indica la siguiente fórmula: . Determine la fórmula

dimensional de K.

PROPIEDAD DE LOS EXPONENTES

28. Si N = 5 m2, S se mide en segundos, y A representa la aceleración, entonces la relación dimensionalmente correcta es:

A) B) A = N.S C) D) E)

29. En la siguiente fórmula física: W = m C x ,determine el valor de “x”, donde: W : trabajo, m : masa C : velocidad

30. Halla el valor de “x” en la siguiente fórmula física: T x = K.d

a

. Donde,

d: distancia a: aceleración T : tiempo K: número



31. Si la siguiente ecuación es dimensionalmente homogénea, determine la fórmula dimensional

de “n”: , donde

P: presión, v: volumen, u: energía, i: intensidad de corriente eléctrica

32. Se tiene la siguiente ecuación homogénea, donde E es la energía y a es la longitud, si:

, determine la fórmula dimensional de

FÓRMULAS EMPÍRICAS

33. La velocidad V de propagación de una onda mecánica, en una cuerda tensa, depende del módulo de la tensión T en la cuerda y de la densidad lineal de masa (masa/ longitud). Determine la fórmula empírica para determinar la velocidad de propagación.

34. La altura máxima H que alcanza una partícula, depende de la rapidez de lanzamiento vertical

V y de la aceleración de la gravedad, y tiene la siguiente forma: . Determine (x+y)

35. La aceleración centrípeta “a” de una partícula, depende de la velocidad tangencial V y del radio de curvatura R de la trayectoria. Determine el exponente que afecta a R.

36. La velocidad V del sonido en un gas depende de la presión P y de la densidad del mismo gas, y tiene la siguiente forma: V = K.Px.Dy, donde K es una constante numérica. Determine la fórmula física para determinar la velocidad del sonido en cualquier gas.

37. El tiempo “t” de caída libre depende de la altura “h” que desciende y de la aceleración de la gravedad “g”. Sabiendo que: t = hx.gy, determine (x – y).

38. El periodo de oscilación J de un péndulo simple, depende de la longitud Q de la cuerda y de la aceleración de la gravedad W, y tiene la siguiente forma: J = 2.Qx.Wy. Determine la fórmula empírica para determinar el periodo de oscilación:

39. La fórmula que determina el módulo de la fuerza centrípeta F que experimenta una partícula, depende de la masa “m”, de la rapidez angular y del radio de curvatura de la trayectoria R. Determinar los exponentes que deben tener las tres variables físicas para establecer una igualdad dimensionalmente correcta.

40. La velocidad critica V a la cual el flujo de un líquido a través de un tubo se convierte en turbulento, depende de la viscosidad , de la densidad del fluido , del diámetro D del tubo, de la constante adimensional R. Determine la fórmula empírica para calcular la velocidad en función de , , D y R. La fórmula dimensional de la viscosidad es: ML-1T-1

41. La fuerza de rozamiento en el interior de un fluido sobre una esfera en movimiento de depende de la viscosidad del liquido (n), el radio de la esfera (r) y la rapidez de la esfera (v):



F = nxryvz. La fórmula dimensional de la viscosidad es: ML-1T-1. Determinar (x+y+z)

42. La presión que un fluido ejerce sobre una pared, depende de la velocidad V del fluido, de su densidad D y tiene la siguiente forma: P = Vx Dy. Determinar la fórmula física correcta.

43. La presión “P” que ejerce el flujo de agua sobre una pared vertical viene dad por la siguiente fórmula empírica: donde, Q: caudal (m3/s) d: densidad del agua, A: área

de la placa, : constante adimensional. Determine:

44. En un experimento de física, un cachimbo desea encontrar la velocidad del aire “V” que genera un ventilador mecánico, la cual depende de la fuerza “F” del aire, la potencia “P” desarrollada por la persona que acciona el ventilador y la fuerza de rozamiento “K”, encontrando la siguiente ecuación: . Determine la fórmula dimensional de

45. Experimentalmente se ha determinado que la fuerza de sustentación F que actúa sobre el ala del avión, depende del área S del ala, de la densidad D del aire y de la velocidad V del avión. Determine el exponente de la velocidad en la fórmula empírica.

46. La cantidad de calor Q que disipa un conductor cuando por el circula una corriente eléctrica, depende de la intensidad de corriente eléctrica I, del valor de la resistencia R y del intervalo de tiempo transcurrido “t”. Determinar los exponentes que deben tener las tres variables físicas para establecer una igualdad dimensionalmente correcta.

47. En la ecuación AB + BC + AC = P2, donde P es la presión, la fórmula dimensional del producto A.B.C es:

48. La energía por unidad de longitud () de una cuerda vibrante depende de un coeficiente 22, de la masa por unidad de longitud (), de la frecuencia (f) y de la amplitud del movimiento(A). Determinar los exponentes que deben tener las tres variables físicas para establecer una igualdad dimensionalmente correcta.

49. La cantidad de energía E y la cantidad de movimiento P, están relacionadas por la ecuación: E2 = AP2 + BC2, donde C es la rapidez de la luz en el vacío. Entonces las dimensiones de A y B son respectivamente.

50. La potencia que requiere la hélice de un helicóptero viene dada por la siguiente fórmula:P = kRxWyDz, donde: K es un número, R es el radio del hélice, W es la rapidez angular y D es la densidad del aire. Determinar: x, y , z.

51. La velocidad crítica V a la cual el flujo de un líquido a través de un tubo se convierte en

turbulento, depende de la viscosidad , de la densidad del fluido , del

diámetro del tubo D y de una constante adimensional R. Determinar la formula empírica de la velocidad en función de n, y D.

52. La posición en el eje “x” de una partícula en función del tiempo “t” esta dado por: , donde X se mide en metros “t” en segundos. Determinar las unidades de:



53. En un sistema de unidades las tres magnitudes fundamentales son la velocidad de la luz C, la

constante de Planck “h” y la masa de protón “m”. Sabiendo que . ¿De

qué manera deben combinarse estas magnitudes para que tengan la fórmula dimensional de la longitud?

54. Se tiene la ecuación de cierto fenómeno físico:

donde, V es la velocidad, “a” la aceleración y F la fuerza. Determine la fórmula dimensional de x, y, z respectivamente.

55. Conociendo la ecuación cinemática para determinar la posición de una partícula en el eje X :, donde X se mide en metros y “t” en segundos.

Escoja entre las expresiones F, G y H, la que es dimensional mente correcta:

; ;

56. En la siguiente ecuación, determine la fórmula dimensional de C. ,

donde: V representa la velocidad, “m” la masa, E la energía, T la temperatura.

57. La siguiente expresión representa la ecuación de estado de los gases reales.

, donde P representa la presión, V al volumen y “n” la cantidad

de sustancia. Determine las unidades de “a” y “b” respectivamente.

58. La ecuación es dimensionalmente homogénea, en donde V:

velocidad y t: tiempo. Determine la expresión dimensional de .

59. La energía radiada (H) por un cuerpo a temperatura T es expresada mediante,

, donde, , A: área, T: temperatura absoluta. Determine el

valor de

60. Respecto a la siguiente ecuación dimensional correcta: , donde, P : presión, V: velocidad. Determine las unidades de X en el S.I.

61. La fuerza resistiva F sobre un glóbulo rojo de forma esférica en la sangre, depende del radio R, de la velocidad V y de la viscosidad . Sabiendo que = 0,003 kg.m-1s-1 , determinar la expresión para determinar la fuerza resistiva: F = 6VxyRz



62. La energía U almacenada en sistema depende de la capacitancia C y de la diferencia de

potencial V. Determinar los valores de x e y, sabiendo que:

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