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Seminario Temas Específicos de Física STEF-2015

Prof. Ing. Cecilia I. Ariagno

Unidad Nº2: Materia y Energía

Clase 5: Energía: formas, transformación y transferencia. Transferencias de energía: Trabajo. Principios de conservación de la energía y del momento lineal.

a.- La energía La energía es el concepto más fundamental de toda la ciencia. Sin embargo, el concepto de energía le era desconocido a Isaac Newton (1642-1727), y su existencia aún era tema de debate alrededor de 1850. El concepto de energía es relativamente reciente y hoy lo encontramos no sólo en todas las ramas de la ciencia, sino en casi todos los aspectos del sociedad humana. Todos estamos muy familiarizados con él, el sol nos da energía en forma de luz, nuestros alimentos contienen energía y ésta nos mantiene con vida. La energía es quizás el concepto científico más popular, con todo es uno de los más difíciles de definir. Hay energía en las personas, en los lugares y en las cosas, pero únicamente observamos sus efectos cuando algo está sucediendo. Sólo podemos observar la energía cuando se transfiere de un lugar a otro o cuando se transforma de una forma a otra forma de energía.

Paul G.hewitt

b.- Momento lineal-Impulso-Choque- Principios de conservación de la energía y del momento lineal. Una experiencia común nos indica que cuando intentamos detener un cuerpo en movimiento, nos será más difícil hacerlo si se desplaza a gran velocidad. Se requiere un esfuerzo mayor para detener una bicicleta que se mueve a 10 km/h, que para detenerla cuando se desplaza a 6 km/h. También se sabe que si dos cuerpos de igual masa en movimiento se mueven con igual rapidez es más difícil detener al de mayor masa. Newton le dio el nombre de “momentum” al producto de la masa por la velocidad del cuerpo en movimiento. Hoy se denominada cantidad de movimiento o momento lineal.

¿Cómo hacer para cambiar el momento lineal?

Si se puede modificar la masa del cuerpo, manteniendo la misma velocidad se cambia el momento lineal.

Si no se puede modificar la masa del cuerpo hay que cambiar su velocidad, por lo que es necesario aplicar una fuerza externa (2º Ley de Newton), que actúe durante un intervalo de tiempo ∆t.

Entonces se define Impluso de una fuerza al producto:

Relacionando ambos conceptos:

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Principio de conservación de la cantidad de movimiento: La cantidad de movimiento de un sistema aislado, con masa invariable y no sometido a fuerzas exteriores, permanece constante. Choque: en un choque hay dos o más cuerpos en movimiento (al menos relativo), que se aproximan, interaccionan durante un tiempo, y se separan con velocidades distintas a las iniciales. No hay fuerzas externas o estas son despreciables. En ésta clase nos dedicaremos a estudiar situaciones en las cuales interactúan solamente dos cuerpos.

Cuando dos cuerpos chocan y se conserva tanto el momento lineal como la energía, se habla de choque elástico. En todo choque elástico, no hay deformación de los cuerpos. Los cuerpos rebotan mutuamente.

Si la fuerza resultante sobre el sistema es nula, y los cuerpos no se deforman se conserva el momento lineal y la energía cinética del sistema. Cuando hay deformación de los cuerpos en un choque, se conserva solo el momento lineal y no la energía. A este tipo de interacción la llamaremos choque inelástico. Por último, existe el caso de que en un choque inelástico y producto del impacto, los cuerpos permanezcan unidos después de la colisión. Por ejemplo cuando se lanza una bolita de plastilina sobre un cuerpo en reposo, estos se moverán unidos, disminuyendo la rapidez con respecto a la rapidez inicial de la plastilina, debido a que equivale a un aumento de masa del cuerpo. A este tipo de choque, donde los cuerpos permanecen unidos, se les llama choque perfectamente inelástico.

En el material de estudio de esta clase encontrarán estos contenidos, ampliamente desarrollados. Si lo consideran necesario pueden consultar cualquier otra bibliografía adecuada. En la tarea que se acompaña se presentan situaciones para profundizar los principios de conservación del momento lineal y de la energía, por considerarlos muy importantes en la Física mecánica.( Recuerden que no se envían las tareas)

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Tarea: a. ¿Por qué un buen futbolista, golfista etc., obtiene la máxima velocidad y recorrido en

un tiro suave? ¿Por qué los tiros exagerados son esfuerzos inútiles? Sugerencia: Piensen en el tiempo de contacto.

b. ¿Qué les ocurriría a dos astronautas estacionarios si, mientras flotan en el espacio decidieran lanzarse una pelota de tenis?

c. Para un boxeador que recibe un golpe es conveniente intentar prolongar el tiempo, en tanto que para un experto en karate es mejor tratar de aplicar una fuerza durante el menor tiempo posible. ¿Por qué se da esto? ¿Se contradicen estas expresiones?

d. La tercera ley de Newton establece que la fuerza que ejerce un rifle sobre una bala es igual y opuesta a la fuerza que la bala ejerce sobre el rifle. ¿podemos deducir de esto que el impulso que el impulso que el rifle imparte a la bala es igual y opuesto que el impulso que la bala imparte al rifle?

e. Una situación real que presenta muchas características ideales es la de una nave espacial. Esta se mueve al variar su masa, lo que le permite maniobrar en el espacio. Es decir, su movimiento se produce por la conservación del momento lineal y no por la aplicación de una fuerza externa. Explica como ocurre esto.

f. Cuando sueltas una pelota elástica en caída libre hay conservación de la energía mecánica del cuerpo, pero no del momento lineal. ¿Por qué ocurre esto?

g. Colisionador de partículas: El Gran Colisionador de Hadrones, GCH es un acelerador y colisionador de partículas ubicado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), el GCH se encuentra cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. Fue diseñado para colisionar haces de hadrones, más exactamente de protones.

Este acelerador se basa en leyes de la física cuántica que corresponden al mundo microscópico que son totalmente diferentes a las leyes del mundo macroscópico. Por lo tanto no se pueden aplicar las leyes de la mecánica clásica. Entonces ¿Cómo podríamos conocer el comportamiento de las partículas después del choque?

h. En una colisión la magnitud del cambio de momento lineal de un cuerpo es igual a la del otro cuerpo, y lo mismo es cierto para los cambios en sus energías cinética. ¿Es correcto esto? Justifica

i. ¿Por qué cuando se sacude una alfombra con un palo el polvo sale despedido, mientras la alfombra apenas se mueve?

j. ¿En cuál de los siguientes casos el impulso aplicado sobre un cuerpo de masa constante es nulo?

I.El cuerpo no se mueve II.El cuerpo se mueve con velocidad constante

III.El cuerpo se mueve con aceleración constante A) Sólo I B) Sólo II C) Sólo III D) I y II

k. Aplicando la conservación del momento lineal y la energía. Péndulo balístico.

Una bala de 100 g de masa que se desplaza con una velocidad es desconocida se incrusta en un péndulo balístico en reposo, cuya masa es de 9,9 kg. Al oscilar el conjunto alcanza una altura máxima de 2 m. Calcular la velocidad inicial de la bala. Despreciar el rozamiento con el aire. Rta: 626 m/s