Física

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Unidad 1: Física mecánicaTemas: Objeto de la física: universo, materia, cuerpo, fenómeno físico. Magnitudes escalares y vectoriales. Sistema Métrico Legal Argentino (SIMELA), unidades de masa, de longitud y de tiempo. Concepto de fuerzas: dinamómetro. Composición y descomposición. Resultantes de fuerzas paralelas, centro de gravedad. Equilibrio de cuerpos rígidos. Momento. Movimiento: movimiento uniforme. Velocidad. Movimiento uniforme variado. Aceleración. Aceleración de la gravedad: caída libre, tiro vertical. Representaciones graficas de los movimientos citados. Principios de la dinámica: la inercia, de masa, de acción y reacción. Peso, masa y aceleración de la gravedad. Trabajo mecánico y potencial, sus unidades. Energía potencial y cinética.

1. Objeto de la física: Universo, materia, cuerpo y fenómeno físico. La física tiene por objeto el estudio de los fenómenos que ocurren en la naturaleza. Es una

ciencia cuya finalidad es estudiar los componentes de la materia y sus interacciones mutuas, para poder explicar las propiedades generales de los cuerpos y de los fenómenos naturales que observamos a nuestro alrededor. Sus temas de estudio se han centrado en la interpretación del espacio, el tiempo, y el movimiento, en el estudio de la materia (la masa y la energía) y de las interacciones entre los cuerpos.

El universo es la totalidad del espacio y del tiempo, de todas las formas de la materia, la energía y el impulso, las leyes y constantes físicas que las gobiernan.

Materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio, posee una cierta cantidad de energía, y está sujeto a cambios en el tiempo y a interacciones con aparatos de medida. En física, materia es el término para referirse a los constituyentes de la realidad material objetiva, entendiendo por objetiva que pueda ser percibida de la misma forma por diversos sujetos. Se considera que es lo que forma la parte sensible de los objetos perceptibles o detectables por medios físicos. Es decir es todo aquello que ocupa un sitio en el espacio, se puede tocar, se puede sentir, se puede medir, etc.

En el ámbito de la física, se denomina cuerpo, objeto físico o simplemente objeto a un conjunto de masas que es tratado como si fuera un único cuerpo. Por ejemplo, una pelota de fútbol puede ser considerada un objeto aunque la pelota en realidad consiste de un agregado de muchas partículas.

Los fenómenos físicos son aquellos que no modifican la estructura íntima de la materia, a diferencia de los fenómenos químicos, que se caracterizan, precisamente, por modificarla.

2. Magnitudes escalares y vectoriales. Las ciencias exactas como la física, la química, la astronomía, se basan en la mediciónTodo aquello que puede medirse se llama magnitud, como el peso, longitudes, tiempos,

volúmenes, superficies, temperaturas, etc. Cada magnitud es de diferente naturaleza o especie, no es lo mismo una longitud que un peso.

Medir es comparar una cantidad de una magnitud cualquiera con otra cantidad de la misma magnitud, a la cual se toma como unidad. La física no trabaja con números abstractos por eso cada cantidad se expresa con una parte numérica y otra literal que indica la unidad que se empleó para medir, con esas unidades se opera como si se tratara de números.

Las tres magnitudes básicas de la física son el tiempo, la fuerza y la longitud. La unidad del tiempo es el segundo, que es una 86.400 ava parte de 1 día solar medio. La unidad de la fuerza es el kilogramo-fuerza, que es el peso del kilogramo patrón. La unidad de longitud es el metro que se definió, en un principio, como la cuarentamillonésima parte del meridiano terrestre, se construyó una barra metálica de ese largo y se lo denomino metro patrón. Pero mediciones posteriores, realizadas con instrumentos más precisos y con mejores métodos, permitieron comprobar que la barra no era exactamente la cuarentamillonésima parte del meridiano terrestre, en este punto había dos opciones construir una barra patrón cada vez que se mejorara la medición del meridiano, o decir que el metro es la longitud de la barra patrón. Razones prácticas evidentes hicieron preferible la segunda. En 1960, nuevas exigencias de la precisión alcanzada por la tecnología han hecho que la

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barra metálica haya sido depuesta como patrón, y nuevamente se ha cambiado la definición de metro, 1 metro es igual a 1.650.763,73 longitudes de onda de la línea naranja del Kriptón de masa atómica 86, cuando la lámpara emisora (de un tipo especial) está a 210ºC bajo cero.

Las magnitudes vectoriales son aquellas que, como su nombre lo indica, se representan mediante vectores, es decir que además de una medida o intensidad, tienen dirección, sentido y punto de aplicación, por ejemplo, fuerza, velocidad, etc.

Las magnitudes escalares son aquellas cuyas cantidades quedan perfectamente determinadas al indicarse la medida y su unidad, por ejemplo, longitudes, superficies, volúmenes, etc.

3. Sistema Métrico Legal Argentino (SIMELA) El Sistema Métrico Legal Argentino o también llamado SIMELA es el sistema de unidades de

medida vigente en Argentina, de uso obligatorio y exclusivo en todos los actos públicos o privados. Está constituido por las unidades, múltiplos y submúltiplos, prefijos y símbolos del Sistema Internacional de Unidades (SI) y las unidades ajenas al SI que se incorporan para satisfacer requerimientos de empleo en determinados campos de aplicación. Fue establecido por la ley 19.511 de 1972.

El SIMELA adopta las siete unidades de base del SI:Unidades de base

Magnitud Símbolo de la magnitud Unidad Símbolo de la unidadLongitud l metro mMasa m kilogramo kgTiempo t segundo sIntensidad de corriente eléctrica I ampere ATemperatura T, θ kelvin KIntensidad luminosa Iv candela cdCantidad de sustancia n mol mol

4. Fuerza En física, cuando un hombre realiza un esfuerzo muscular se expresa el mismo hecho diciendo

que el hombre “aplica una fuerza”. Una fuerza es algo que cuando actúa sobre un cuerpo, de cierta masa, le provoca un efecto. La fuerza es un tipo de acción que un objeto ejerce sobre otro objeto, se dice que hay una interacción. El efecto de la aplicación de una fuerza sobre un objeto puede ser, modificación del estado de movimiento en que se encuentra el objeto que la recibe o modificación de su aspecto físico.

La fuerza siempre es ejercida en una determinada dirección: puede ser hacia arriba o hacia abajo, hacia adelante, hacia la izquierda, formando un ángulo dado con la horizontal, etc.

Para representar la fuerza se emplean vectores. Los vectores son entes matemáticos que tienen la particularidad de ser direccionales; es decir, tienen asociada una dirección. Además, un vector posee módulo, que corresponde a su longitud, su cantidad numérica, su sentido y punto de aplicación. Se representa un vector gráficamente a través de una flecha en la dirección correspondiente

En resumen, en física, fuerza es toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo o producir una deformación en el mismo

4.1. Sistema de fuerzas. Generalmente, sobre un cuerpo actúan dos o más fuerzas, obteniéndose así un sistema de fuerzas,

dichas fuerzas pueden ser sustituidas por una, llamada resultante. Las fuerzas que forman el sistema se conocen como componentes.

Los sistemas de fuerzas se clasifican en: Colineales: Son las que actúan en una misma dirección. Paralelas: Son aquellas cuyas direcciones son paralelas.

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Concurrentes o angulares: Cuando las líneas de acción convergen en un solo punto formando ángulos.

4.1.1. Sistemas de fuerzas colineales La resultante en estos sistemas se obtiene sumando algebraicamente los componentes. Ejemplo:La resultante del siguiente sistema seria:

En forma gráfica:1. Se trazan los vectores tomando en cuenta la escala 1 cm = 1 N

2. Se colocan los vectores uno enseguida del otro y así se obtiene la resultante.

Hay que tener presente que las fuerzas cuya dirección es hacia arriba o a la derecha se consideran positivas, y hacia abajo o a la izquierda, se consideran negativas.

Otro caso de fuerzas colineales se presenta cuando un componente es negativo.

Se suman algebraicamente:

De forma gráfica:1. Se trazan los vectores tomando en cuenta la escala que en este caso es de 1 cm = 1 N

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2. Se traza la primera componente, donde termina se traza la segunda y así sucesivamente, para terminar con los componentes, conservando sus características y obtener la resultante.

4.1.2. Sistema de fuerzas paralelas Podemos tener fuerzas paralelas de igual sentido o de distinto sentido.En el caso de las fuerzas paralelas de mismo sentido, la resultante tendrá como modulo o

intensidad a la suma de los módulos de las fuerzas paralelas. Se suman por tener el mismo sentido.El punto de aplicación estará más próximo a la fuerza de mayor intensidad y ubicado entre

ambas. Para determinar con exactitud este punto, se utilizan dos métodos. El gráfico y el analítico que representa el uso de la relación de Stevin.

Método gráfico:

Observamos que donde termina una fuerza colocamos la otra. Es decir, trasladamos la F2 al extremo de F1 y la F1 al extremo de F2. A continuación unimos los extremos de las mismas fuerzas que se encuentran en frente. O sea, el extremo de F1 con la de F1’ y el extremo de F2 con el de F2’. Donde se cruzan las líneas se traza la resultante (R). Y el extremo de la R coincidirá con la suma de ambas fuerzas.

Otra manera de hacer esto sin necesidad de graficar es usando la relación de Stevin. Cuya fórmula es:

Si conocemos por ejemplo ambas fuerzas (F1 y F2), y la distancia total, (d1 + d2) sin conocer d1 y d2. Podemos determinar a estas distancias ya que al igualar F1 / d2 = R / d, despejaremos d2 sin ningún problema. Sabiendo d2 obviamente sabremos d1 ya que d1 + d2 = d, y podemos trazar la R en el lugar adecuado.

En el caso de las fuerzas paralelas de distinto sentido, el módulo de la R será la diferencia entre ambas fuerzas. Por ejemplo si una apunta hacia arriba y vale 80 Kgf y la otra hacia abajo y vale 60 Kgf la R valdrá 20 Kgf. ahora bien, la ubicación de la R no estará entre ambas fuerzas, a diferencia del sistema de fuerzas paralelas de igual sentido.

A continuación mostraremos el siguiente gráfico:

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Aquí vemos como la R está a la derecha de F1 que es la mayor de las fuerzas. La a, es la distancia entre las F1 y F2. La a2 es la distancia entre F2 y R y la a1 la distancia entre F1 y R. Esto también se puede determinar por el método de Stevin.

4.1.3. Sistema de fuerzas concurrentes. En un sistema de fuerzas concurrentes se utilizan métodos gráficos para obtener la resultante,

estos son: el del paralelogramo y el del polígono.El método del paralelogramo se utiliza cuando solo actúan dos fuerzas, este consiste en:1. Trazar los vectores partiendo de un mismo punto de aplicación.

2. Trazar líneas paralelas a las fuerzas, en forma punteada, obteniendo así el paralelogramo.

3. Del punto de aplicación de las fuerzas, al cruce de las líneas auxiliares se traza una línea, obteniendo así la resultante.

El método del polígono es el que se utiliza para encontrar la resultante de más de dos fuerzas

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concurrentes.Se coloca una fuerza a continuación de otra, conservando sus características: magnitud,

dirección y sentido.La resultante se traza del punto de aplicación de la primera fuerza al extremo de la última.El sentido de la resultante será desde el origen a la última fuerza.

Para descomponer una fuerza en dos componentes concurrente basta con construir el paralelogramo, del que conocemos la diagonal, y las direcciones de dos lados consecutios. Por el extremo de la diagonal se trazan paralelas a los lados, hasta cortarlos; los puntos de interseccion determinan, con el punto de aplicación del peso, las componentes buscadas. Este proceso es aplicable a cualquier manitud vectorial.

4.2. Dinamómetro

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El dinamómetro es un instrumento utilizado para medir fuerzas o para pesar objetos. El dinamómetro tradicional, inventado por Isaac Newton, basa su funcionamiento en el estiramiento de un resorte que sigue la ley de elasticidad de Hooke en el rango de medición. Básicamente consiste en un resorte que se deforma proporcionalmente a la carga que soporta por medio de una escala graduada en kilogramos fuerza o kilopondios, esta cantidad se multiplica 9.81 m/s que es el valor de la fuerza de gravedad, obteniéndose así el resultado en Newton.

5. Centro de gravedad de un cuerpo El centro de gravedad es el punto en

donde esta aplicado el peso del cuerpo. Para determinar su posición se procede de la siguiente manera: se cuelga el cuerpo de uno cualquiera de sus puntos (S), y cuando ha quedado en reposo se traza la vertical que pasa por el punto de suspensión. Como el cuerpo está en equilibrio, el peso y la fuerza que hace el soporte en el punto de suspensión son iguales y opuestos. Luego, la recta de acción del peso, que contiene al centro de gravedad, es la mencionada vertical. Se cuelga el cuerpo por otro cualquiera de sus puntos (S’), y se traza la nueva vertical, que en su intersección con la anterior determina G, el centro de gravedad.

6. Cuplas y equilibrio. Cuando se considera un sistema de dos fuerzas paralelas, de sentidos opuestos y de igual

intensidad, enseguida se advierte que es un caso especial. Efectivamente, si se intenta hallar una resultante, la regla que venimos usando conduciría a que:

a- R = F1 – F2 = 0b- Su punto de aplicación estaría en el infinito.

Un par de fuerzas paralelas, de igual intensidad y de sentidos opuestos es una nueva entidad o magnitud física, llamada par de fuerzas o cupla.

Así como una fuerza aplicada a un cuerpo está relacionada con una traslación, una cupla está relacionada con una rotación.

Una cupla es una magnitud vectorial, y se puede representar mediante un vector definido así:- Dirección de la cupla: es la del eje de rotación- Intensidad o momento de la cupla: cuando se quiere hacer girar un cuerpo el efecto logrado

depende tanto de la intensidad de las fuerzas aplicadas como de la distancia, llamada brazo. Expresaremos entonces la intensidad de la cupla con el producto de ambos, que recibe el nombre de momento de la cupla: Momento de una cupla = intensidad de una de las fuerzas x brazo. En símbolos: M = F · b.

- El sentido de la cupla y el signo del momento: Si la cupla produce una rotación en el mismo sentido que las agujas de un reloj, a su momento le atribuiremos signo negativo; y si la rotación se produce en sentido contrario a las agujas del reloj, la cupla tiene momento positivo.

Lo que se ha estudiado acerca de composición de fuerzas puede ser aplicado a todas las magnitudes vectoriales, por lo tanto, es posible componer cuplas, hallas la cupla resultante, la cupla equilibrante, etc.

6.1. El momento de una fuerza. Observemos el volante de la figura: el conductor lo hace girar con una sola mano; o sea,

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aplicando una sola fuerza. ¿Dónde está la otra fuerza del par de fuerzas o cupla responsable de la rotación? Está en la barra de la dirección, que es el eje de la rotación: cuando el conductor aplica la fuerza (F), en el eje aparece una fuerza (F’) y la consecuencia es la rotación del volante alrededor de su barra.

En estos casos de rotación alrededor de un eje prefijado, resulta cómodo hablar del momento de una fuerza con respecto a un eje: M (F) = F · b.

7. El equilibrio de un cuerpo Un cuerpo puede trasladarse y/o rotar. Para lograr que esté en reposo, sin trasladarse y sin rotar,

es necesario que:1- La resultante (vectorial) de todas las fuerzas aplicadas sea nula.2- La resultante (vectorial) de todas las cuplas aplicadas sea nula.

La segunda condición puede también ser enunciada así:2’- La suma de los momentos de todas las fuerzas aplicadas, con respecto a un punto

cualquiera, debe ser nula.Para que un cuerpo este en equilibrio deben cumplirse simultáneamente ambas condiciones.

No basta con que se cumpla solo una de ellas.

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