4) DINÁMICA

TEORÍA

4.1) DINÁMICA

La dinámica es la rama de la física que estudia las causas de los movimientos.

Es una división de la mecánica.

4.2) LEYES DE LA DINÁMICA

Las leyes de la dinámica son las leyes de Newton, esto es: ley de inercia, ley de masa y ley de acción y reacción.

1ra ley: Ley de la inercia: “Todo cuerpo permanece en el estado de reposo o de MRU en que se encuentre, siempre y cuando una fuerza externa no modifique tal estado”.2da ley: Ley de la masa: “La aceleración adquirida por un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza aplicada sobre ese cuerpo e inversamente proporcional a la masa del mismo”.En fórmula es:

Aceleración = Fuerza / MasaA = F / M

Sus unidades son:metro/segundo2 = newton / kilogramo

m / s2 = N / kg3ra ley: Ley de acción y reacción: “A toda fuerza, llamada acción (FA), se opone siempre otra, llamada reacción (FR), de igual intensidad”. Estas dos fuerzas (acción y reacción) no forman un sistema de fuerzas.En fórmula es:

Acción = - ReacciónFA = - FR

Sus unidades son:newton = newton

N = N

4.3) MASA DE UN CUERPO

En estática definimos a la masa de un cuerpo como su cantidad de materia, ahora, podemos definirla con más precisión, y en base a la ley de la masa, como una constante que resulta de dividir la fuerza aplicada al cuerpo por la aceleración adquirida mediante esa fuerza.

En símbolos:Masa = Fuerza / Aceleración

M = F / ASus unidades son:

kilogramo = newton / metro/segundo2

kg = N / m/s2

Entre la masa de un cuerpo y su peso existe una íntima relación:Masa = Peso / Aceleración de la gravedad

M = P / g1

Sus unidades son:kilogramo = newton / metro/segundo2

kg = N / m/s2

Se insiste en que la masa de un cuerpo es una constante, mientras que su peso es una variable.

1 M = P / 10 m/s2

4.4) CAUSAS DE LOS MOVIMIENTOS Y DEL REPOSO

Las causas de movimientos y reposo son las fuerzas

Las leyes de la dinámica nos lo informan:a) Causa del reposo: Es la no existencia de fuerzas y, si existen, su anulación entre sí

(esta causa surge de la ley de la inercia).b) Causa del MRU: Ídem anterior.c) Causa del MRUV: Es la existencia de fuerzas constantes (esta causa se desprende de

la ley de la masa).d) Causa de la CL y del TV: Ídem anterior.

El reposo y el MRU son estados de equilibrio, lo que significa: Resultante nula, velocidad nula (reposo) o constante (MRU) y aceleración nula.El MRUV, la CL y el TV son estados de desequilibrio, lo que implica: Resultante no nula, velocidad no nula y variable, y aceleración no nula y constante.

4.5) SISTEMA DE UNIDADES

Un sistema de unidades es un conjunto de unidades tal que algunas de ellas son consideradas como fundamentales y otras, deducidas de las primeras, como derivadas.

Los principales sistemas de unidades son:· MKS: Considera como unidades fundamentales el metro, el kilogramo y el segundo. · Sistema Internacional o SI: Proviene del anterior y sus unidades fundamentales son siete:

metro, segundo, kilogramo, candela, ampere, mol y kelvin.· Simela o Sistema Métrico Legal Argentino: Deriva del SI y es el legal en Argentina.· cgs: Tiene por unidades fundamentales el centímetro, el gramo y el segundo.· Técnico: Considera como unidades básicas el metro, el kilogramo fuerza o kilopondio y el

segundo,

4.6) IMPULSO Y CANTIDAD DE MOVIMIENTO

Se llama impulso de una fuerza al producto de dicha fuerza por el tiempo durante el cual actúa.

Ej: Al empujar un libro un instante hablamos de impulso.En fórmula es:

Impulso = Fuerza . TiempoI = F . T

Sus unidades son:newton . segundo

N . s

Se denomina cantidad de movimiento o momentum de un cuerpo al producto de su masa por la velocidad que posee.

Ej: Si en el ejemplo anterior consideramos la masa del libro y su velocidad hablamos de la cantidad de movimiento del libro.En fórmula es:

Cantidad de Movimiento = Masa . VelocidadCM = M . V

Sus unidades son:kilogramo . metro / segundo

kg . m / sRelación entre impulso y cantidad de movimiento: El impulso de una fuerza es igual a la cantidad de movimiento que es capaz de producir.En fórmula es:

Impulso = Cantidad de Movimiento

I = CMSus unidades son:

newton.segundo = kilogramo.metro/segundoN.s = kg.m/s

4.7) TRABAJO

Un cuerpo realiza un trabajo cuando aplica una fuerza y la desplaza.

En fórmula es:Trabajo = Fuerza . Espacio2

T = F . ESus unidades son:

joule = newton . metroJ = N . m

4.8) POTENCIA

El trabajo que ejecuta un cuerpo en cada segundo es la potencia de dicho cuerpo.

En fórmula es:Potencia = Trabajo / Tiempo

P = T / tSus unidades son:

watt = joule / segundoW = J / s

El kilowatt es una unidad de potencia muy usada y corresponde a 1.000 watt.

4.9) ENERGÍA

La capacidad de trabajo que posee un cuerpo es la energía de ese cuerpo.

La energía se presenta de numerosas formas, tales como: luz, calor, electricidad, sonido, etc.Cada una de estas formas es estudiada por una rama distinta de la física:

· La mecánica estudia la energía mecánica.· La termología aborda el calor.· La acústica estudia el sonido.· La óptica trata sobre la luz.· La electrología investiga sobre la electricidad y el magnetismo.· La atomística se encarga de la energía atómica.· La química estudia la energía química.3

Estas formas de energía se transforman unas en otras, por ello la ley de la conservación de la energía dice: “La energía no se crea ni se destruye sólo se transforma”.Así, en un televisor, la electricidad se transforma en luz (imagen) y sonido.

4.10) ENERGÍA MECÁNICA

La energía mecánica es la energía que poseen los cuerpos en reposo o en movimiento.

Así, la nieve de la montaña, por su altura, posee energía potencial. Al descongelarse y formar las nacientes de un río se transforma en cinética, capaz de arrastrar un bote cuesta abajo (esto es, capaz de trabajar).

2 Se considera acá sólo el caso en el que la dirección de la fuerza coincide con la del desplazamiento.3 Esta rama es tan extensa que conforma una ciencia separada de la física.

De acuerdo a lo indicado se desprende que la energía mecánica es la suma de las energías potencial y cinética.En fórmula es:

Energía Mecánica = Energía Potencial + Energía CinéticaEM = EP + EC

Sus unidades son:joule = joule + joule

J = J + JObsérvese que trabajo y energía poseen la misma unidad.La energía potencial de un cuerpo depende del peso de éste y de la altura en la que se encuentra.Su fórmula es:

Energía Potencial = Peso . AlturaEP = P . A

Sus unidades son:joule = newton . metro

J = N . mLa energía cinética de un cuerpo tiene que ver con su masa y su velocidad.En fórmula es:

Energía Cinética = 0,5 . Masa . Velocidad2

EC = 0,5 . M . V2

Sus unidades son:joule = kilogramo . (m/s)2

J = kg . (m/s)2

4.11) ROZAMIENTO

El rozamiento es la resistencia (fuerza) que opone un cuerpo a moverse sobre otro.

Ej: Al arrastrar un ropero se produce rozamiento entre las patas del mueble y el piso.El rozamiento puede ser:a) Por rodadura, cuando el cuerpo rueda sobre otro (rozamiento de un coche en movimiento

sobre la carretera)b) Por deslizamiento, cuando el cuerpo se desliza sobre otro. (rozamiento de una caja que

baja por un plano inclinado)La causa del rozamiento está en las rugosidades de las superficies rozantes. El rozamiento se aplica al caminar, usar frenos, usar correas, etc.

PREGUNTAS1) ¿A qué se denomina dinámica?2) Nombrar las leyes de la dinámica3) Enunciar la ley de inercia4) ¿Qué dice la ley de masa?5) ¿Cuál es la fórmula de la ley de la masa?6) Explicar la ley de acción y reacción7) ¿Cuál es la fórmula de la ley de acción y reacción?8) ¿Qué es la masa de un cuerpo?9) ¿Cuál es la unidad simeliana de masa10) Relacionar masa y peso.11) ¿Cuáles son las causas del reposo, MRU, MRUV, CL y TV?12) ¿A qué se llaman estados de equilibrio y de desequilibrio?13) ¿Qué es un sistema de unidades?14) Enunciar tres sistemas de unidades y sus unidades básicas.15) Dar un ejemplo de impulso y otro de cantidad de movimiento.16) ¿Cuál es la fórmula de impulso y cuál la unidad de cantidad de movimiento?17) ¿Cómo están relacionados impulso y momentum?18) Definir qué es el trabajo19) Enunciar la fórmula de trabajo

20) ¿Cuál es la unidad simeliana de trabajo?21) ¿A qué se denomina potencia?22) ¿Cuál es la fórmula de potencia?23) ¿Cuál es la unidad simeliana de potencia24) ¿Qué es el kilowatt?25) Explicar qué es la energía26) Nombrar las ramas de la física y las formas de energías que cada una estudia.27) ¿Cuál es la unidad simeliana de energía?28) Enunciar la ley de conservación de la energía29) Definir energías: mecánica, potencial y cinética30) ¿Cuáles son las fórmulas de las energías mecánica, potencial y cinética?31) ¿Qué es el rozamiento y cómo puede ser?1) Construir un plano teórico de la unidad.

Þ Construir grupalmente un plano teórico de la unidad y reproducirlo en una lámina

PROBLEMAS1) ¿Qué aceleración adquiere un cuerpo de 70 kg de masa al aplicársele una fuerza de 350 N?2) ¿Cuál es la masa de un cuerpo si al imprimirle una fuerza de 58 N adquiere una

aceleración de 29 m/s2?3) ¿Un cuerpo de 72 kg es acelerado por una fuerza F. Si la aceleración generada vale 3,5

m/s2, ¿cuánto vale la fuerza F que la causó?4) Una mesa pesa 32 N ¿qué fuerza le aplica el piso a la mesa?5) ¿Cuánto pesa un cuerpo de 80,5 kg?6) ¿Cuál es la masa de un cuerpo que pesa 34,5 N?7) Un vagón de 100.000 kg de masa se mueve con una velocidad de 0,5 m/s. ¿Cuál es su

cantidad de movimiento?8) La cantidad de movimiento que posee un coche de 500 kg vale 10.000 kg.m/s, ¿cuál es su

velocidad?9) Un jugador patea una pelota con una velocidad inicial de 30 m/s. ¿Qué masa posee dicha

pelota si su cantidad de movimiento vale 300 kg.m/s?10) Un jugador de golf le pega a una pelota con una fuerza de 18.000 N durante 0,002

segundos. Calcular el impulso de la fuerza.11) Calcular el momentum adquirido por la pelota anterior si su masa vale 0,40 kg y su

velocidad varió 90 m/s. ¿Qué relación hay entre el momentum y el impulso?12) ¿Durante cuántos segundos actúo una fuerza de 345 N sobre un cuerpo si le dio un impulso

de 17,25 N.s?13) ¿Qué fuerza actuando durante un instante de 0,25 segundos le proporcionó a una piedra un

impulso de 500 N.s? 14) ¿Qué trabajo realiza una fuerza de 89,5 N al recorrer 3,2 metros?15) ¿Cuánto se desplaza una fuerza de 104,2 N si desarrolló un trabajo de 52,1 J?16) ¿Qué fuerza al causar un trabajo de 458 J se desplazó 22,9 metros?17) ¿Cuál es la potencia de una máquina que durante 1800 s hace un trabajo de 2300 J?18) ¿En cuántos segundos una máquina de 1200 W ejecuta un trabajo de 600 J? 19) ¿Qué trabajo realiza un equipo de 24.000 W en 3600 segundos?20) ¿Cuantos kilowatts son 345,8 W y cuántos watts son 0,45 kW?21) Un cuerpo posee una energía potencial de 320 J y una energía cinética de 89,5 J. ¿Cuál es

su energía mecánica?22) La energía mecánica de un cuerpo vale 45.600 J y su energía potencial, 45.600 J. ¿Cuánto

vale su energía cinética?23) La energía cinética de un cuerpo es de 456.000 J y su energía mecánica, 556.000 J,

¿cuántos joules tiene de energía potencial?.24) ¿Cuál es la energía potencial de una piedra de 52 N que está a 32 m de altura?25) ¿Cuánto pesa un cuerpo que estando a 5,6 m de altura presenta una EP de 235,2 J?26) ¿A qué altura está un objeto de 890 N y 22.695 J de EP?27) ¿Qué energía cinética posee una masa de 50 kg y 5 m/s de velocidad?28) Un cuerpo cuya velocidad vale 12 m/s tiene una energía cinética de 144.000 J, ¿cuál es su

masa?29) ¿Qué velocidad posee un auto cuya masa es de 1.500 kg y su EC, 469.750 J?

EXPERIMENTOS1) Experimento sobre la inercia (1) : Materiales: Una hoja de papel de diario; una tiza; una

regla; cuatro monedas iguales. Desarrollo: a) Colocar la hoja con los extremos apoyados en dos bancos, de modo que la parte del medio quede en el aire, se puede también sujetar uno de los extremos con la mano. Parar la tiza en el otro extremo, y con una regla aplicar un fuerte golpe sobre la parte de la hoja que está en el aire. Si todo anduvo bien el papel saldrá y la tiza permanecerá en su sitio sin caerse. Si la tiza se tumbó, probar hasta que no lo haga. ¿A qué se debe el fenómeno?. b) Colocar ahora, tres monedas en fila. Con la cuarta moneda puesta en la misma dirección, golpear la última de la serie. ¿Qué ocurre con la primera moneda y qué con las dos restantes?. Justificar.

2) Experimentos sobre la inercia (2): Materiales: un huevo duro marcado y uno crudo; dos platos hondos. Desarrollo: Girar un huevo en un plato y el segundo en el otro plato. Pararlos con los dedos e inmediatamente soltarlos. ¿Qué ocurre?. ¿Por qué?

3) Experimento con la acción y la reacción : Materiales: patines y mochila con libros. Desarrollo: Un alumno debe tirar la mochila con libros hacia adelante (mientras un segundo participante la ataja) con los patines puestos y sobre un piso lo más liso posible. ¿Qué sucede?. ¿Hacia qué lado se desplaza el alumno?. ¿Qué ley se cumple?.

4) Experimento sobre el trabajo : Materiales: 2 bolsas de nylon con 100 gramos de arena cada una; una cinta métrica. Desarrollo: a) Sostener una bolsa de nylon y “sentirla”. ¿Qué característica tiene este peso?. b) Levantar una bolsa a un metro de altura. ¿Hay trabajo subjetivo?. ¿Qué trabajo físico se ha realizado?. ¿Qué característica tiene este trabajo?. c) Levantar dos bolsas a un metro de altura. ¿Hay trabajo subjetivo?. ¿Qué trabajo físico se ha realizado?. d) Levantar una bolsa a dos metros de altura. ¿Hay trabajo subjetivo?. ¿Qué trabajo físico se ha realizado?. ¿Qué relación se puede establecer entre c) y d)?. e) Mantener quieta una bolsa a dos metros de altura con el brazo levantado. ¿Hay trabajo subjetivo?. ¿Qué trabajo físico se ha hecho?. f) Desplazar una bolsa (siempre a igual altura) tres metros. ¿Hay trabajo subjetivo?. ¿Qué trabajo físico se ha desarrollado?. g) Levantar una bolsa a un metro de altura en un segundo (controlar bien el tiempo). ¿Qué potencia tiene?. ¿Qué característica presenta este valor?. h) Cotejar y analizar entre todos las respuestas desarrolladas por cada grupo.

5) Experimento sobre la potencia (1) : Materiales: una escalera, una cinta métrica, un cronómetro; una balanza de baño para personas. Desarrollo: Medir la altura de un escalón de la escalera y multiplicarlo por el número de escalones que se van a utilizar (de manera que la altura total sea mayor que 2 metros). Registrar el peso en N de los participantes. Poner el cronómetro en cero y pedir al primer compañero que suba los escalones establecidos lo más rápidamente posible (usar la baranda de la escalera para aumentar la seguridad). Se arranca el cronómetro cuando los dos pies de la persona que va a ascender han abandonado el escalón de base, y se para cuando ambos pies han llegado al último escalón. Registrar ese lapso en segundos. Repetir la medición para todos los participantes y registrarlos en una tabla similar a la siguiente:

Nombre Peso (N) Altura subida (m) Tiempo (s) Potencia (W)

Calcular la potencia desarrollada por cada alumno usando la ecuación Potencia=Peso.Altura/tiempo, de esta manera se obtendrá la potencia en watts. Comparar los valores de potencia obtenidos con el récord establecido por un atleta estadounidense en 1978, quien subió 86 pisos de un edificio en 12 minutos y 32 segundos.

6) Experimento sobre la potencia (2): Materiales: un tubo fluorescente; una lámpara; un parlante pequeño; una batidora de mano; una afeitadora eléctrica. Desarrollo: Investigar qué valores de potencia pueden desarrollar cada uno de los dispositivos enunciados. ¿Qué trabajo puede hacer cada uno de ellos en un segundo?. La potencia es un índice de la rapidez con que un dispositivo puede transformar una energía en otra. ¿Qué energía se transforma en cada caso?. Registrar lo investigado en una tabla como la siguiente:

Dispositivo Potencia (W) Trabajo por seg. Energía inic. Energía final

5) FLUIDOSTÁTICA

TEORÍA

5.1) FLUIDOSTÁTICA

La fluidostática es la rama de la física que estudia los fluidos en reposo.

Es una división de la mecánica.Su fenómeno principal es la presión.Se divide en hidrostática y en neumostática.

5.2) FLUIDOS

Los fluidos son los cuerpos que no son sólidos y que pueden fluir.

Comprenden líquidos y gases.Los líquidos tienen forma variable y volumen constante. Ej: agua líquida.Los gases tienen forma y volumen variables. Ej: aire.En física, la diferencia más importante entre sólidos y fluidos es la siguiente:

· Los sólidos ejercen fuerzas.· Los fluidos ejercen presiones.

5.3) PRESIÓN

Se denomina presión al cociente entre una fuerza y la superficie sobre la cual actúa la fuerza perpendicularmente.

Prácticamente, es la fuerza que actúa por cada metro cuadrado.En fórmula es:

Presión = Fuerza / SuperficieP = F / S

Sus unidades son:pascal = newton / metro cuadrado

Pa = N / m2

5.4) HIDROSTÁTICA

La hidrostática es la parte de la física que estudia los líquidos en reposo.

Se apoya en tres grandes leyes: la de Pascal, la de Arquímedes y la General de la hidrostática.

5.5) LEYES DE LA HIDROSTÁTICA

Las leyes de la hidrostática son tres: ley de Pascal, ley de Arquímedes y ley fundamental.

1ra ley: Ley de Pascal: “Toda presión ejercida sobre un líquido en reposo se transmite íntegramente y en todo sentido a todos los puntos de la masa líquida y de las paredes del recipiente”2da ley: Ley de Arquímedes: “Todo cuerpo sumergido en el seno de un líquido en reposo recibe un empuje vertical de abajo hacia arriba igual al peso del líquido desalojado”En fórmula es:

Empuje = Peso líquido desalojado

E = PLD

Sus unidades son:

newton = newtonN = N

De esta ley se desprende:Empuje = Pesocuerpo en el aire - Pesocuerpo en el líquido

E = PCA - PCL

Sus unidades son:newton = newton - newton

N = N - N3ra ley: Ley fundamental de la hidrostática: “La diferencia de presión entre dos puntos de un liquido en reposo es igual al producto del peso específico del líquido por la diferencia de nivel entre esos dos puntos”En fórmula es:

Diferencia de Presión = Peso Específico . Diferencia de NivelDP = PE . DN

Sus unidades son:pascal = newton/metro cúbico . metro

Pa = N/m3 . m

5.6) CASOS DE FLOTACIÓNUn cuerpo sumergido en un líquido en reposo va a flotar.

Los casos de flotación posibles son tres: flotación, flotación a dos aguas y hundimiento.

Estos casos tienen que ver con la fuerza que predomine (el peso del cuerpo o el empuje del líquido). Así:

1) Si el peso del cuerpo supera al empuje, entonces el cuerpo se hunde.2) Si son iguales, el cuerpo “flota a dos aguas”.3) Si el empuje supera al peso del cuerpo, éste flota.

En fórmula es:1) PC > E Þ Hundimiento2) PC = E Þ Flotación a dos aguas3) PC < E Þ Flotación

5.7) NEUMOSTÁTICA

La neumostática es la parte de la física que estudia los gases en reposo.

Todos los gases, al igual que los líquidos, cumplen con las leyes de la hidrostática.

5.8) PRESIÓN ATMOSFÉRICAUna presión gaseosa muy importante es la presión atmosférica.

La presión atmosférica es la que ejerce el peso de la masa de aire que rodea a la Tierra sobre ésta.

El físico italiano Torricelli4 fue el primero en medir esta presión, y para ello realizó la siguiente experiencia (Experiencia fundamental de la neumostática):

· Invirtió un tubo de un metro de longitud lleno de mercurio dentro de una cubeta también llena de mercurio.

· Inmediatamente, el líquido del tubo descendió hasta que su nivel superior quedó a 76 cm del nivel del mercurio de la cubeta.

· Torricelli dedujo, entonces, que esa diferencia de niveles se debía a que sobre el mercurio de la cubeta actuaba la presión de la atmósfera, que equilibraba la presión de la columna de 76 cm de mercurio.

La presión atmosférica varía.

4 Siglo 17

La normal es de una atmósfera y equivale a la presión de una columna mercurial de 76 cm de altura.Una atmósfera es, aproximadamente, igual a 100.000 pascales o a 1.000 hectopascales.En fórmula es:

1 atmósfera = 100.000 pascales = 1.000 hectopascales1 atm = 100.000 Pa = 1.000 hPa

Los dispositivos que miden la presión de un gas se llaman manómetros, los que miden la presión atmosférica, barómetros.

5.9) LEY DE BOYLE Y MARIOTTE

La Ley de Boyle y Mariotte enuncia que “A temperatura constante5, los volúmenes de una masa gaseosa son inversamente proporcionales a las presiones que soportan”.

En fórmula es:Volumen1 / Volumen2 = Presión2 / Presión1

V1 / V2 = P2 / P1

Sus unidades son:metro cúbico / metro cúbico = pascal / pascal

m3 / m3 = Pa / Pa

PREGUNTAS1) ¿A qué se denomina fluidostática?2) ¿Qué son los fluidos?3) ¿Cuál es la principal diferencia entre fluidos y sólidos?4) Definir presión5) ¿Cómo es la fórmula de la presión?6) ¿Cuál es la unidad simeliana de presión?7) ¿Qué estudia la hidrostática?8) Nombrar las leyes de la hidrostática.9) ¿Qué dice la ley de Pascal?10) Enunciar la ley de Arquímedes11) ¿Qué fórmula corresponde a la ley de Arquímedes?12) ¿Cuál es la ley fundamental de la hidrostática?13) ¿Qué fórmula corresponde a la ley fundamental de la hidrostática?14) ¿Cuáles son los casos de flotación de un cuerpo?15) ¿A qué se llama neumostática?16) Definir presión atmosférica17) Narrar la experiencia fundamental de la neumostática18) ¿Cuánto vale la presión atmosférica normal?19) ¿Cuáles son los instrumentos que miden presiones?

Þ Construir grupalmente un plano teórico de la unidad y reproducirlo en una lámina

PROBLEMAS1) Sabiendo que la presión normal vale 100.000 Pa, calcular la presión total que soporta el

cuerpo humano, cuya superficie promedio es de unos 1,5 m2.2) Una superficie de 5,2 metros cuadrados soporta una presión de 25,5 Pa. Determinar la

fuerza actuante.3) ¿Sobre que superficie una fuerza de 85,2 N genera una presión de 170,4 Pa?4) Un cuerpo sumergido en un líquido en reposo recibe un empuje de 12 N, ¿cuál es el peso

del líquido desalojado?.5) Un cuerpo está sumergido totalmente en un líquido. Sabiendo que desaloja 250 N de

líquido se pide determinar el empuje que experimenta.6) Un cuerpo pesa en el aire 345 N y en el agua 300 N, ¿cuál fue el empuje y cuál el peso del

agua desalojada?

5 Proceso isotérmico

7) Un cuerpo de 890,2 N recibe un empuje al hundirse en un líquido de 90,2 N. Calcular el peso del objeto en el líquido.

8) Un cuerpo pesa dentro de un líquido 68 N. Si el empuje que sufre vale 68 N, ¿cuánto pesa en el aire?

9) ¿Qué diferencia de presión hay entre dos puntos de un líquido en reposo de 12000 N/m3 de peso específico, si la diferencia de nivel entre ellos es de 2,5 metros?

10) ¿Qué desnivel hay entre A y B , siendo A y B dos puntos de un líquido en reposo cuya diferencia de presión es de 460 Pa, si el PE de la sustancia vale 13.500 N/m3?

11) Calcular el peso específico de un líquido teniendo en cuenta que en un desnivel de 0,6 m hay una diferencia de presión de 7.560 Pa.

12) Se tienen tres cuerpos cuyos pesos en el aire son respectivamente: 234,50 N; 85,3 N y 9.450 N. Al introducirlos dentro de un líquido éste les aplica un empuje de 8,53 kp a cada uno, ¿cuál de ellos se hunde, cuál flota y cuál flota a dos aguas?

13) Expresar 45,78 atmósferas en pascales, hectopascales y “cm de mercurio”.14) Reducir 78 cm de mercurio en atm, Pa y hPa.15) ¿Cuánto vale 3.450 pascales en atm, hPa y “cm de mercurio”?16) Expresar 234 hPa en Pa, atm y “cm de Hg”.17) 0,6 metros cúbicos de un gas soportan una presión de 350.000 Pa. ¿Qué presión

soportarán 1,8 m3 del mismo gas?18) A 380.000 Pa un gas posee un volumen de 30 m3, ¿que volumen tendrá al pasar a una

presión de 320.000 Pa?19) Un volumen determinado de un gas presenta una presión de 280.000 Pa. Si la presión se

aumenta a 340.000 Pa el volumen disminuye a 12 metros cúbicos. ¿Cuál era el volumen inicial del gas?.

20) 48,2 metros cúbicos de oxígeno soportan una determinada presión X. Al disminuir X a 120.000 Pa el volumen pasa a valer 120,5 m3. Se pide determinar X.

EXPERIMENTOS1) Experimento con la presión : Materiales: un cuerpo pesado de aproximadamente un

kilogramo (un diccionario, por ejemplo); una bolsa de agua caliente; un metro de tubo plástico de unos 3 mm de diámetro; un tapón de goma o de corcho que ajuste el orificio de salida de la bolsa y con un agujero por donde pueda pasar apretadamente el tubo de plástico; tres cartones gruesos o maderas de distinta superficie (menores que la superficie de la bolsa de goma); agua coloreada para la bolsa. Desarrollo: Colocar agua en la bolsa sobre un banco y sostener el tubo de plástico hacia arriba, de modo que se observe parte de líquido en él. Proceder a colocar el peso elegido sobre la bolsa y establecer qué sucede con la columna de líquido en el tubo. Anotar los datos respectivos. Repetir la operación colocando sucesivamente cada una de las superficies elegidas y anotar las variaciones observadas en un cuadro con estos datos: nivel primitivo del agua en el tubo; nivel al colocar el peso; nivel al colocar la superficie S1; nivel al colocar la superficie S2; nivel al colocar la superficie S2. ¿Qué relaciones se pueden deducir en cuanto a las presiones ejercidas respecto de las superficies sobre las que actuó?

2) Experimento con la ley de Arquímedes : Materiales: Un balde donde entre un ladrillo común, una palangana donde entre el balde, un ladrillo (o una papa), 1,5 m de piolín, un dinamómetro del colegio, una botella, un embudo y agua para llenar el balde. Desarrollo: a) Colocar el balde dentro de la palangana y llenarlo de agua hasta el borde pero sin que se vuelque nada en la palangana. Atar bien fuerte el ladrillo al piolín para colgarlo del dinamómetro. Anotar el peso del mismo (P1). Lentamente, bajar el ladrillo dentro del agua del balde. Cuando esté todo el ladrillo sumergido, sin llegar a tocar el fondo, se lo vuelve a pesar. Anotar este segundo peso (P2). b) Retirar el balde de la palangana cuidando que no caiga agua. Pesar la botella y registrar el dato. Luego, con el embudo volcar el agua que hay en la palangana dentro de la botella y pesarla nuevamente. Restar a este peso el de la botella y anotarlo (P3). ¿Qué relación hay entre P1, P2 y P3?. ¿Se verifica la ley de Arquímedes acá?. ¿Cómo se determina el empuje?.

3) Experimento con la ley general de la hidrostática : Materiales: un tarro de hojalata lo más alto posible o una botella plástica de gaseosa grande, un punzón, cinta adhesiva, agua, una palangana. Desarrollo: Hacer tres agujeros iguales con el punzón en la parte lateral de la lata de modo tal que el agujero inferior esté “más o menos” en la mitad del recipiente, y los otros por encima de él a distancias iguales. Cubrirlos con cinta adhesiva y llenar la

lata con agua. Colocarla de forma que los agujeros estén frente a la palangana y quitar las cintas. Observar lo que ocurre. ¿Qué ley se aplica acá?. ¿de qué depende la longitud de los chorros?. ¿De la cantidad de líquido?. ¿De la profundidad?.

4) Experimento con líquidos de distinto PE : Materiales: un frasco de unos 20 cm de alto y unos 5 cm de diámetro; glicerina, aceite, agua y alcohol (unos 100 cm3 de cada una); colorante alimenticios: azul, rojo, verde y amarillo). Desarrollo: Verter en el frasco glicerina coloreada previamente de rojo y después, muy lentamente, agua coloreada de azul a lo largo de la pared del frasco. Verter ahora aceite (de parafina mejor) coloreado de amarillo y luego, despaciosamente, alcohol teñido de verde. ¿Cómo se disponen los líquidos?. Por qué?. Construir una escala arbitraria de pesos específicos para tales líquidos según lo observado.

5) Experimento con la presión atmosférica (1) : Materiales: una copa, un poco de agua, una hoja de carpeta. Desarrollo: Llenar la copa con agua y taparla con el papel. Invertir la copa y sacar la mano que sujeta al papel. ¿Qué se observa?. ¿Por qué?

6) Experimento con la presión atmosférica (2): Materiales: una regla plástica de 30 cm; una hoja de papel de diario. Desarrollo: Sobre un banco colocar la regla que sobresalga unos 10 cm del borde del mismo y sobre ella una hoja de papel de diario bien extendida. Accionar la regla como palanca. Repetir luego la acción con la mitad de la hoja. ¿En qué caso es más fácil accionar la regla?. ¿Por qué?

7) Experimento con un barómetro : Materiales: Botella, recipiente (cacerola o similar) con agua. Desarrollo: Llenar una botella con agua. Taparla con el dedo, invertirla e introducir su boca en el recipiente con agua. Sacar el dedo que obtura la boca y sostener la botella en forma vertical. ¿Qué ocurre?. ¿Cae el agua?. ¿Cuánto baja el líquido en la botella?. ¿Por qué?.

PASATIEMPO

Cada compartimiento del tanque contiene ciertos cantidad de agua en litros por cierta razón.¿Cuál es?¿Cuántos litros de agua colocarías en el compartimiento vacío?

6) TERMOLOGÍA

TEORÍA

6.1) TERMOLOGÍA

La termología es la rama de la física que estudia el calor.

Sus principales divisiones son la termometría, la calorimetría y la termodinámica.

6.2) CALOR

El calor es una forma de energía.

Produce en los cuerpos:a) Cambios de estado.b) Cambios de temperatura.c) Cambios de volumen.

6.3) CLASIFICACIÓN TERMOLÓGICA DE LOS CUERPOS

Termológicamente los cuerpos se clasifican en termoconductores y termoaisladores.

Los primeros son los que transmiten rápidamente el calor: oro, plata, hierro y en general todos los metales.Los segundos son los que transmiten lentamente el calor6: plástico, madera, telgopor, lana de vidrio, etc.

6.4) CAMBIOS DE ESTADOLos cuerpos se presentan en la naturaleza en alguno de los tres estados siguientes:

a) Sólido: Volumen y forma constantes.b) Líquido: Volumen constante y forma variable. c) Gaseoso: Volumen y forma variables.

Denominamos cambio de estado al pasaje de uno a otro de dichos estados por la acción del calor.

Los cambios de estado son seis:a) Fusión: pasaje de sólido a líquido por calentamiento.b) Solidificación: pasaje de líquido a sólido por enfriamiento.c) Vaporización: pasaje de líquido a gas por calentamiento.d) Licuación: pasaje de gas a líquido por enfriamiento.e) Volatilización: pasaje de sólido a gas por calentamiento.f) Sublimación: pasaje de gas a sólido por enfriamiento.

Estos cambios verifican, generalizando, dos leyes:Primera ley: Toda sustancia pura posee una determinada temperatura de cambio de estado. Así, el agua vaporiza a los 100 ºC y fusiona a los 0 ºC.Segunda ley: Mientras dura el cambio de estado la temperatura permanece constante. Así, mientras dura la fusión del agua, la temperatura permanece a 0 ºC.

6.5) CAMBIOS DE TEMPERATURA

Los cuerpos por acción del calor sufren cambios de temperatura: la aumentan al absorber calor o la disminuyen al cederlo.

6 Cuerpos calorífugos

Diferenciamos temperatura de calor con el siguiente modelo: la temperatura es al nivel de agua en un recipiente como el calor es a la cantidad de agua.La termometría es la parte de la termología que trata de la temperatura y su medición.Los termómetros son los aparatos destinados a medirla.Los más comunes son los de mercurio.Existen tres escalas para graduarlos:

1) Escala celsius o centígrada: Acá se indica con cero grado el nivel del mercurio al colocar el termómetro en hielo en fusión y con cien grados, el logrado cuando se lo coloca en agua en vaporización. Esta escala es usada en la Argentina.

2) Escala fahrenheit : Acá se marca con 32 grados el nivel del mercurio al colocar el termómetro en una mezcla frigorífica y con 212 grados el obtenido en agua en vaporización. Esta escala es usada en Norteamérica.

3) Escala kelvin o absoluta: Acá el cero corresponde a la temperatura más baja posible y equivale a -273 ºC. Esta escala es la adoptada por el SIMELA. Esta escala es usada en ciencia.

Para pasar de grados centígrados a grados fahrenheit multiplicamos los grados por 2 y al producto le sumamos 30; mientras que si a los grados fahrenheit le restamos 30 y dividimos el resultado por 2 obtendremos grados centígrados.Para pasar de grados centígrados a grados kelvin le sumamos a los primeros 273; mientras que para pasar de grados kelvin a grados centígrados restamos 273.

6.6) CAMBIOS DE VOLUMEN

Todos los cuerpos por acción del calor sufren una variación de volumen: lo aumentan (dilatación) al absorber calor o lo disminuyen (contracción) al cederlo.

Distinguimos:a) Dilatación de los sólidos.b) Dilatación de los líquidos.c) Dilatación de los gases.

a) En los sólidos la dilatación puede ser:a.1) Lineal: Es la que sufre por ejemplo una varilla.a.2) Superficial: Es la que sufre por ejemplo una chapa.a.3) Cúbica: es la que sufre por ejemplo un cubo.

b) En los líquidos la dilatación es cúbica y puede ser:b.1) Real: Cuando se considera la dilatación del líquido y del recipiente.b.2) Aparente: Cuando sólo se considera la dilatación del líquido.

c) En los gases la dilatación es cúbica.En iguales condiciones, los gases se dilatan más que los líquidos y éstos más que los sólidos.

6.7) CALORIMETRÍA

La calorimetría es la rama de la termología que estudia la cantidad de calor que absorbe o cede un cuerpo.

Se basa en la llamada “Ley fundamental de la calorimetría” que dice: “Cuando dos cuerpos de diferentes temperaturas contactan la cantidad de calor absorbida por uno es igual a la cedida por el otro”La cantidad de calor que absorbe o cede un cuerpo depende de su masa, su calor específico y su variación de temperatura.En fórmula es:

Cantidad de calor = Masa . Calor específico . Variación de temperaturaCC = M . CE . VT

Sus unidades son:joule = kilogramo . (joule/kilogramo/ kelvin) . kelvin

J = kg . (J/kg/K) . K

El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor que necesita para elevar en un grado kelvin la temperatura de un kilogramo masa. Su unidad en el SIMELA es el joule sobre kilogramo sobre kelvin (J/kg/K).Otra unidad de cantidad de calor (o calor) muy usada es la caloría (cal) que equivale aproximadamente a 4 joules.

1 cal = 4 JPara medir cantidades de calor se usa el calorímetro. Consiste en un recipiente aislado térmicamente del exterior, con agua y un termómetro.

6.8) PROPAGACIÓN DEL CALOR

El calor se propaga de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura hasta lograrse el equilibrio térmico.

Esta propagación se puede dar de tres maneras:1) Por conducción: Que es el modo como se propaga el calor en los sólidos.2) Por convección: Que es la forma como se propaga el calor en los fluidos con

transporte visible de materia. Este modo de propagación produce el movimiento del agua que se nota en la ebullición.

3) Por radiación: Que es el modo como se propaga el calor en el vacío. De esta forma nos llega el calor del Sol.

6.9) TERMODINÁMICA

La termodinámica es la rama de la termología que estudia la relación entre calor y trabajo.

Se apoya en dos leyes:· Primer ley : “El calor entregado a un cuerpo es igual al aumento de su energía interna7

más el trabajo realizado por el mismo”. Así, si colocamos un recipiente hermético lleno de aire sobre la estufa y lo calentamos observaremos que todo el calor que recibe se convierte en energía interna del aire (su temperatura aumenta), pero si el recipiente estuviera provisto de un pistón movible, veríamos ahora que parte del calor se convierte en energía interna y parte provocaría la expansión del aire (trabajo), empujando el pistón hacia arriba. Esta primera ley no es más que la ley de la conservación de la energía aplicada al calor. En fórmula es:

Calor entregado = Energía Interna + TrabajoC = EI + T

Sus unidades son:joule = joule + joule

J = J + J· Segunda ley : “El calor espontáneamente fluye siempre de un cuerpo de mayor

temperatura a otro de menor temperatura”. Así, en invierno el calor fluye del interior de una casa calefaccionada al frío aire exterior. El proceso inverso es posible pero con gasto de energía.

6.10) ENTROPÍAUn concepto importante de la termodinámica es la entropía.

La entropía es el grado de desorden de un sistema o de un cuerpo.

A mayor desorden del sistema, mayor entropía.Ej: Un sustancia sólida cristalina cuyas moléculas están dispuestas regularmente, tiene menor entropía que la misma sustancia fundida. Acá las moléculas se mueven con cierta facilidad y, por ende, con más desorden.En termodinámica se puede determinar un cambio de entropía con la ecuación:

Variac. Entropía = Variac. Cantidad de Calor / Variac. TemperaturaVE = VCC / VT

7 Energía interna: Energía de las partículas que forman al cuerpo (moléculas, átomos, etc.)

Sus unidades son:joule/kelvin = joule / kelvin

J/K = J / KEn los sistemas aislados8 la entropía siempre aumenta y la energía disponible disminuye.Muchos científicos creen que el universo (sistema aislado) llegará a este estado, otros, que colapsará sobre sí mismo (Big Crunch) y sufrirá otra gran explosión, similar a la que dio origen al universo actual (Big Bang).

PREGUNTAS1) ¿A qué se denomina termología?2) ¿Qué es el calor y que produce en los cuerpos?3) ¿Cómo se clasifican en termología los cuerpos?4) ¿Qué son y cuáles son los cambios de estado?5) Enunciar las leyes de cambios de estado6) ¿Qué diferencia hay entre temperatura y calor?7) ¿Con qué instrumentos escalas se mide la temperatura?8) ¿Cómo puede ser la dilatación en los sólidos?9) ¿Cuáles son las formas de la dilatación en los fluidos?10) ¿A qué se denomina calorimetría?11) ¿Qué dice la ley fundamental de la calorimetría?12) ¿Cuál es la fórmula que está relacionada con la ley de la calorimetría?13) Definir calor específico14) ¿Qué es la caloría?15) ¿Cómo se propaga el calor?16) ¿A qué se llama termodinámica?17) Enunciar las dos leyes de la termodinámica18) ¿Qué es la entropía?19) ¿Cuál es la fórmula de la entropía?Þ Construir grupalmente un plano teórico de la unidad y reproducirlo en una lámina

PROBLEMAS1) ¿A cuántos grados centígrados corresponden -25 ºF? 2) Un termómetro fahrenheit está sumergido en un recipiente con agua hirviendo, ¿qué

temperatura marcará?3) Pasar 52 ºF a K.4) ¿Cuánto vale el cero absoluto en la escala fahrenheit?5) Indicar la temperatura de ebullición del agua en grados absolutos.6) ¿Cuánto vale la temperatura más baja posible en grados centígrados?7) La temperatura normal del ser humano es de 37 grados centígrados, ¿cuánto vale en la

escala celsius?8) ¿Cuál es la dilatación real de un líquido si su dilatación aparente es de 0,045 m3 y la del

recipiente que lo contiene es de 0,145 m3?9) Un líquido al calentarse ha aumentado 0,008 m3 su volumen y su recipiente 0,06 m3. Se

desea conocer su dilatación real .10) La dilatación real del agua contenida en un jarro es de 0,005 m3 y su dilatación aparente,

de 0,0045 m3. ¿Cuánto se dilató el jarro?11) El calor específico del aceite es 1.200 J/kg/K, ¿qué significa dicho valor?12) ¿Qué cantidad de calor cede un cuerpo de 2 kg al medio si su calor específico es de 3.500

J/kg/K y su temperatura disminuyó en 3 K?13) ¿Cuál es la masa de un cuerpo de 560 J/kg/K de CE si al tomar 1.120.000 J del entorno su

temperatura aumentó en 25 K?14) Determinar el CE del oro sabiendo que 4,5 kg de su masa requieren 10.975,5 J para elevar

su temperatura en 18 grados absolutos.15) ¿Cuánto varió la temperatura de un cuarto kilogramo de hierro (CE: 475 J/kg/K) al

absorber 3.400.000 J del medio?16) Expresar 234,55 cal en joules.17) ¿Cuántas calorías son dos tercios de joules?

8 Sistema asilado: Sistema que no intercambia ni materia ni energía con el medio.

18) Al entregarle 5.460.700 J de calor a un cuerpo realiza un trabajo de 360.700 J. ¿Cuánto aumentó su energía interna?

19) Un sistema desarrolla un trabajo de 7.890.000 J al recibir una cierta cantidad de calor. Sabiendo que su energía interna creció 7.890.000 J, ¿cuánta cantidad de calor recibió?

20) En el ejemplo del texto se sabe que la cantidad de calor aportado por la estufa al segundo recipiente con aire fue de 4.250.000 J y que la EI del gas aumentó 500.000 J. ¿Qué trabajo realizó el aire al expandirse?

21) ¿Cuánto ha variado la entropía de un sistema si su cantidad de calor ha variado en 2.340.000 J con un aumento de temperatura de 55 K?

EXPERIMENTOS1) Experimento sobre conducción calórica : Materiales: Una moneda; una hoja de carpeta; una

vela y fósforos; un vaso de papel de los empleados para fiestas; agua. Desarrollo: a) Colocar la moneda sobre la hoja de carpeta e intentar quemar el papel exponiéndolo sobre la llama de la vela, justo en el sitio en que está apoyada la moneda. ¿Qué ocurre? ¿Por qué?. ¿Cuál es mejor conductor el papel o la moneda?. b) Colocar el vaso de papel con un poco de agua sobre la llama de la vela y calentarlo. ¿Se quema el vaso?. ¿Se calienta el agua?. ¿Se puede hacer hervir el agua?. ¿Cuál es mejor conductor el papel o el agua?

2) Experimento sobre aislación : Materiales: 4 latas iguales grandes y 4 latas iguales más pequeñas; 4 tapas de cartón para cerrar las latas grandes; un termómetro; tres materiales que se supongan aislantes (aserrín, telgopor, lana de vidrio, goma espuma, papel de diario, corcho molido, etc.). Desarrollo: Colocar dentro de cada lata grande una lata pequeña distribuyendo entre ambas uno de los materiales aislantes elegidos. Llenar todas las latas pequeñas con igual cantidad de agua caliente próxima a hervir. Cerrar las latas con la tapa de cartón agujereado como para que pase el termómetro. Registrar la temperatura del agua cada tres minutos durante 12. ¿Qué material es mejor aislante?

3) Experimento sobre dilatación en sólidos : Materiales: 0,5 m de alambre fino, una moneda de un peso, una vela, fósforos, un broche de madera para ropa. Desarrollo: Con el alambre rodear la moneda de modo de formar un marco que permita el paso exacto de la misma. Calentar la moneda, sosteniéndola con el broche de madera. Probar si ahora la moneda pasa por el arco. ¿A qué se debe el hecho?

4) Experimento sobre dilatación en gases : Materiales: un botella, un globo de goma, un olla con agua (donde pueda entrar la botella por lo menos hasta la mitad) y un mechero de bunsen. Desarrollo: Ajustar el orificio del globo a la boca de la botella. Colocar a ésta dentro del recipiente con agua y calentar la cacerola. ¿Qué se observa?. ¿A qué se debe este fenómeno?

5) Experimento con termómetros (1): Materiales: un termómetro clínico y un termómetro ambiental. Desarrollo: Dibujar esquemáticamente ambos termómetros en la carpeta indicando sus partes. Establecer 3 similitudes y 3 diferencias entre uno y otro. Medir la temperatura de un compañero.

6) Experimento con termómetros (2): Materiales: una botella de plástico resistente con tapa de cierre hermético; una pajita; un pegamento tipo Poxi-Ram; un cartón graduado de 1 a 10; cinta adhesiva; un cuchillo con mango de plástico o madera y punta afilada; colorante y un jarro profundo, cuya altura sea la mitad de la altura de la botella (más o menos). Desarrollo: a) Hacer un agujero en la tapita calentado la punta del cuchillo, introducir la pajita hasta la mitad y agregar pegamento alrededor de esta, de manera tal que no quede ningún espacio entre ambas. Llenar la botella con agua coloreada hasta el tope, cerrar la botella con la tapa, cuidando de que quede bien ajustada. Por último pegar el cartón graduado con la cinta adhesiva a la mitad de la pajita que quedó fuera de la botella. b) Colocar la botella sobre la olla con agua hirviendo. Observar qué sucede: ¿subió el agua coloreada por la pajita?, ¿por qué?, ¿qué valor de la escala alcanzó?, ¿qué sucederá cuando baje la temperatura del agua?, ¿por qué?, ¿se podría usar este dispositivo para medir la temperatura ambiental?, ¿por qué?.