INSTITUTO TÉCNICO DEL GOLFO DE MÉXICO

FÍSICA I

UNIDAD I

M.C. ING. ENRIQUE HERNÁNDEZ CASTRO

UNIVERSIDAD DEL GOLFO DE MÉXICOBACHILLERATO TÉCNICO

FÍSICA I

M.C.ING. ENRIQUE HERNÁNDEZ CASTRO

UNIDAD I CONCEPTOS INTRODUCTORIOS

1.1 IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LA FÍSICA

El estudio de la física es importante, ya que brinda los conocimientos para poder explicar la mayoría de los fenómenos que se perciben en la vida cotidiana., lo que permitirá comprender y disfrutar en forma plena el universo que nos rodea. Todo fenómeno de la naturaleza, ya sea simple o complejo, tiene su fundamento y explicación en el campo de la física; esta ciencia nos da la posibilidad de comprender cada vez mejor los cambios del universo y de mejorar nuestras condiciones de vida.

Es mediante el estudio de la Física que se explican los diferentes tipos de movimiento de los objetos como: vehículos de transporte, proyectiles, naves espaciales, satélites y planetas. Así, también da a conocer los diferentes tipos de energía que nos rodea y las transformaciones que sufre cada una de ellas, como: la térmica proveniente del poder calorífico del sol y de los combustibles; la hidráulica, de los ríos y mares; la eólica, de los vientos; la cinética y mecánica, del movimiento; la nuclear, de las partículas que conforman el interior de los átomos de toda materia, entre otras.

CONCEPTO DE FÍSICA

ANTECEDENTES HISTÓRICOS

600 A DE C TALES Componentes fundamentales de la materia500 A DE C PITÁGORAS La forma esférica de la tierra400 A DE C DEMÓCRITO Concepto de vació y átomos300 A DE C ARISTÓTELES El movimiento de los cuerpos200 A DE C ARQUÍMEDES Flotación de los cuerpos100 A DE C LUCRECIO Los átomos en movimiento100 D. DE C PTOLOMEO La tierra como centro del universo1200 D. DE C. BACON Ciencia experimental, importancia materia1400 D DE C. COPÉRNICO Modificación del universo con el sol como

centro1600 D. DE C GALILEO El péndulo1700 D. DE C NEWTON Leyes del movimiento1800 D. DE C JOULE Ley de la conservación de la energía1900 DE. DE C PLANK Cuantización de la energía

La Ciencia, es un conjunto ordenado de conocimientos y métodos con que describimos los fenómenos que observamos.

La ciencia es una disciplina que utiliza el método científico con la finalidad de establecer teorías y leyes.

Las ciencias se dividen en dos grandes áreas:

Las ciencias Naturales, que se encargan de estudiar la naturaleza Las Ciencias Sociales, que se encargan de estudiar los fenómenos de la sociedad

Partiendo del concepto de ciencia y de su división, podemos ir hacia la historia de la Física y determinar en primer lugar, sus raíces etimológicas:

La palabra física proviene del vocablo griego phycis, que significa naturaleza, y considerando lo anterior podemos definir a la física como:

“Ciencia que estudia la materia, la energía y sus transformaciones”

Actividad 1Instrucción: De acuerdo al tema anterior de la importancia del estudio de la Física, contesta lo siguiente:

Importancia del Estudio

De la Física

¿Por qué? ¿Para que? Aplicaciones

1.1.1 LA FÍSICA Y SU RELACIÓN CON OTRAS CIENCIAS

Para comprender los fenómenos del universo que nos rodea, la física se relaciona con otras ciencias, como son:

Matemáticas: cuya función es encontrar cuantificaciones numéricas que permitan medir y comparar diversos fenómenos que ocurren en la naturaleza.

Química: se relaciona de manera importante con la física, ya que la materia, en su estructura atómica, requiere las leyes físicas para poder explicar sus interacciones moleculares.

Geografía: ayuda a comprender la descripción de la tierra y los fenómenos en su superficie.

Biología: auxilia relacionándola con las leyes que regulan la vida orgánica.

Astronomía: estudia los astros y el universo, y se vale de las leyes de la óptica, entre otras, para desarrollar sus observaciones.

Mineralogía: la física contribuye mediante la aplicación de sus leyes a las estructuras atómicas de los minerales.

Meteorología: estudia los fenómenos atmosféricos, y la física se relaciona con ella aplicando los conceptos de presión y temperatura, entre otros, para tratar de explicar las causas que provocan dichos fenómenos.

QUÍMICA

FISICOQUÍMICA

BIOLOGÍA BIOFÍSICA FÍSICA ASTROFÍSICA ASTRONOMÍA

GEOFÍSICA INGENIERÍA

GEOLOGÍA TÉCNICA

1.1.2 CLASIFICACIÓN DE LA FÍSICA

Siendo el objeto de estudios de la Física, la materia y la energía, por lo tanto estudia y define los fenómenos físicos de la naturaleza, entendiéndose como fenómenos físicos los eventos y sus cambios, los hechos y sus consecuencias, de todo aquello que perciben nuestros sentidos. Un fenómeno físico, es aquella manifestación en la cual el carácter o esencia de la materia o energía, no cambia, es decir, puede cambiar su estado de observación o manifestación, mas no su composición. Por ejemplo, si tomamos un poco de agua y lo ponemos en un recipiente y lo llevamos a congelación, sigue siendo agua, solo cambia su estado, lo mismo ocurre si la calentamos hasta evaporarla, sigue siendo agua pero en diferente estado.

Para poder realizar el estudio de los fenómenos físicos, la física se clasifica de la siguiente manera:

Física Clásica

Mecánica clásica Estudia el movimiento de los objetos que se mueven a velocidades pequeñas muy por debajo de la velocidad de la luz.

Termodinámica Estudia la temperatura, el trabajo y el calor de las partículas.Electromagnetismo Estudia la electricidad, el magnetismo y los campos

electromagnéticos

Óptica Estudia todos los fenómenos relacionados con la luz.Acústica Estudia todos los fenómenos relacionados con el sonido.

Física Moderna

Atómica Estudia las propiedades de los átomos, su estructura, sus transformaciones y sus interacciones con la radiación y con el medio que nos rodea.

Molecular Estudia aquellos fenómenos relacionados con la estructura molecular de los compuestos. Se ocupa, por ejemplo, de la explicación y la comprensión de los diferentes tipos de enlaces mediante los cuales los átomos forman moléculas.

Nuclear Estudia todos los fenómenos relacionados con le núcleo atómico y las partículas subatómicas: por ejemplo, las diferentes reacciones nucleares como la fisión y la fusión.

Relatividad Estudia a los objetos que se mueven a velocidades que se aproximan a la velocidad de la luz, incluyendo a la propia luz.

Mecánica cuántica Estudia a las partículas en los niveles submicroscópicos y microscópicos.

MÉTODO DE ESTUDIO DE LA FÍSICA

Para poder realizar sus estudios la física, como ciencia. Utiliza el método Científico, el cual consiste en una serie de pasos ordenados de manera secuencial. Existen cuatro pasos que conforman el método científico, estos generalmente se presentan bajo un orden, cada uno se vas construyendo a medida que nos adentramos al objeto en estudio y son los siguientes:

OBSERVACIÓN: establece límites de un nuevo problema basados en la experiencia

HIPÓTESIS: establece supuestos e incluso afirmaciones en torno al problema en estudio

EXPERIMENTACIÓN: utiliza los experimentos controlando los factores considerados importantes de una manera cuantitativa que se puedan variar en cantidad de un modo controlado

COMPROBACIÓN: determina mediante los resultados y la comparación de los mismos si8 lo que se postulo es cierto o no.

Actividad 2Instrucción:

a) Completa el siguiente cuadro

Física Clásica

Mecánica clásica

Termodinámica Estudia la temperatura, el trabajo y el calor de las partículas.Estudia la electricidad, el magnetismo y los campos electromagnéticos

Óptica

Acústica

Atómica Estudia las propiedades de los átomos, su estructura, sus transformaciones y sus interacciones con la radiación y con el medio que nos rodea.Estudia aquellos fenómenos relacionados con la estructura molecular de los compuestos. Se ocupa, por ejemplo, de la explicación y la comprensión de los diferentes tipos de enlaces mediante los cuales los átomos forman moléculas.

Nuclear

Estudia a los objetos que se mueven a velocidades que se aproximan a la velocidad de la luz, incluyendo a la propia luz.

Mecánica cuántica

Estudia a las partículas en los niveles submicroscópicos y microscópicos.

b) Complementa el siguiente sistema, de acuerdo a las ciencias que le ayudan:

c) Aplicando el Método Científico, aplica cada para explicar la razón por la cual sucede un fenómeno físico

Física

Matemátic

as

Química

Astronomía

1.2 MEDICIÓN

El medir una cantidad física es compararla con una de la misma clase, tomada como unidad.

Métodos de medición

Existen dos métodos de medición: el directo y el indirecto.

El método directo se efectúa utilizando aparatos o instrumentos de medición en forma directa. La elección de un instrumento de medición se determina por la precisión requerida y por las condiciones físicas que rodean a la medición. El valor de la medición depende de varios factores, como la calidad del aparato, la habilidad del observador y el número de mediciones efectuadas.

Aparatos físicos para mediciones sencillas:

regla probeta graduada plomada

Aparatos físicos para mediciones más complicadas o exactas.

vernier micrómetro termómetro cronómetros amperímetros voltímetros

SISTEMAS DE MEDICIÓN Y SUS UNIDADES

UNIDADES FUNDAMENTALES, PATRONES Y MEDIDAS

La física es una ciencia basada en las observaciones y mediciones de los fenómenos físicos. Por consiguiente, es esencial que al empezar el estudio de la física nos familiaricemos con las unidades mediante las cuales se efectuaran las mediciones.

SISTEMAS DE MEDIDAS Y UNIDADES PATRÓN

Actualmente existen dos sistemas de unidades de medida:

SISTEMA INGLES SE USA EN USA, INGLATERRA Y AUSTRALIA

SISTEMA MÉTRICO DECIMAL SE USA EN EL RESTO DEL MUNDO

UNIDADES DE LONGITUD

1 METRO = 1,650,713.7 longitudes de onda de la línea roja del kriptón1 METRO = 100 centímetros

En Estados Unidos y otros países de habla inglesa se emplea la yarda, que equivale a 3 pies, y cada pie equivale a 12 pulgadas.

1 YARDA = 3600/3937 metros

UNIDADES DE MASA

MASA: cantidad de materia que tiene un cuerpo, su unidad es el kilogramo.

1 KG = 1000 gramosGRAMO: es la milésima parte del kilogramo patrón.

1 LIBRA MASA = 0.4535924277 KGEs decir 1 libra es igual a 453.6 gramos

UNIDADES DE TIEMPO

1 segundo = 1 / 31 565 925. 9747 del año tropical de 1900

UNIDADES PATRÓN

CANTIDAD UNIDAD SÍMBOLO LONGITUD METRO m MASA KILOGRAMO Kg TIEMPO SEGUNDO S FUERZA NEWTON N ENERGÍA JOULE J CORRIENTE AMPERE A TEMPERATURA KELVIN K

UNIDADES Y CONVERSIONES

Por medio de las equivalencias podemos convertir unidades de un sistema a otro.

EQUIVALENCIAS

1 m 1 m1 cm1 km1 m1 m1 pie1 pie

100 cm1000 mm10 mm1000 m3.28 pies1.093 yardas30.48 cm12 pulgadas

1 pulgada1 milla1 libra1 kg1 cm3

1 litro1 litro1 galón

2.54 cm1.609 km0.454 gr2.2 libras1 ml1000 cm 3

1 dm3

3.875 litros

FACTOR DE CONVERSIÓN

Es la expresión de una cantidad con sus respectivas unidades, que es usada para convertirla en su equivalente en otras unidades de medidas establecidas en dicho factor.

El siguiente procedimiento se usa para convertir unidades:

1. cada una de las unidades que aparece en la cantidad física y que desea convertir, deberá definirse en términos de esa unidad.

2. para cada operación, tómese un factor de conversión que cancele todas las unidades excepto las deseadas.

EJEMPLO

1. CONVERTIR 7 .5 PIES A M

Se tiene que un pie es igual a 0.3048 metros, entonces

7.5 PIES 0.3448 M = 2.286 M 1 PIE

2. CONVERTIR 60 KM/H A M/S

60 KM 1000 M 1 H = 60000 M = 16.666 M/S H 1 KM 3600 S 3600 S

Actividad 3

Instrucción:

Convierte las siguientes unidades

1. 10 800 s en horas2. 0.21 h en s3. 4500 s en min4. 576 500 m en km5. 4.26 km en m6. 62.8 m en cm7. 0.381 m en pulgadas8. 7500 g en kg9. 0.5 kg en gramos10. 6500 kg en ton11. 2859 gr en kg12. 245 s en horas13. 17 m en centímetros14. 1930 mm en metros15. 16.26 yardas en metros16. 96 cm en pies17. 34 millas en km18. 150 cm3 en ml19. 49.15 pulgadas en pies20. 115 cm en pulgadas

Investiga lo siguiente:

** PRECISIÓN DE LOS INSTRUMENTOS EN LA MEDICIÓN DE DIFERENTES MAGNITUDES Y TIPOS DE ERROR

** COMO REDUCIR AL MÍNIMO LOS ERRORES EN LA MEDICIÓN

** TIPOS DE ERROR EN LAS MEDICIONES

** SISTEMÁTICOS

** ALEATORIOS

1.3 HERRAMIENTAS MATEMÁTICAS

NOTACIÓN CIENTÍFICA Y USO DE PREFIJOS

Cuando hablamos de medir, generalmente pensamos en cantidades adecuadas a nuestro entorno; sin embargo, cuando pensamos en la distancia de la Tierra a la estrella más cercana, Alfa Centauro (40000000000000000 metros) estamos pensando en una cantidad muy grande. Pero si pensamos en el diámetro de un protón (0.000000000000001 metros), esta seria una cantidad muy pequeña. En física es común trabajar con cantidades grandes y pequeñas.

En 1971, la XIV Conferencia General de Pesas y Medidas recomendó los prefijos, símbolos y equivalencias, para poder simplificar el uso de las cantidades en las operaciones.

POTENCIAS DE 10 DESDE GIGA HASTA PICO

La utilización de potencias de diez es para cantidades muy grandes o cantidades muy pequeñas. Es decir las abrevia en cierta forma de tal manera que ya sea la cifra completa o en potencia de diez tienen el mismo valor. Puede la elevación ser positiva o negativa, dependiendo si va a la derecha o a la izquierda del punto.

Múltiplos Submúltiplos Prefijo Símbolo Factor Prefijo Símbolo Factor

Deca Da 101 Deci d 10 -1

Hecto H 102 Centi c 10 -2

Kilo K 103 Mili m 10 -3

Mega M 106 Micro μ 10 -6

Giga G 109 Nano n 10 -9

Tera T 1012 Pico p 10 -12

Penta P 1015 Femto f 10 -15

Exa E 1012 Atto a 10 -12

EJEMPLOS

64250000 = 6.425 X 107

5600 = 5.6 X 103

0.078 = 7.8 X 10-2

0.000253 = 2.53 X 10 –4

OPERACIONES CON POTENCIAS EN BASE DIEZ

MULTIPLICACIÓN: se suman los exponentes

103 X 105 = 108

10 X 103 = 104

DIVISIÓN: se restan los exponentes

106 / 104 = 102

105 / 108 = 10-3

Actividad 4Instrucción:

Resuelve las siguientes operaciones

1. 106 / 104

2. 105 / 108

3. 10-6 / 103

4. 106 / 10-3

5. (8 x 104) / (2 x 102)6. (6 x 109) / (3 x 103)7. (3 X 104)(2.3 X 103)8. (5 X 10-4)(1.2 X 106)9. (4 x 104) (5 x 106)10. (5 x 10-4) (7 x 108)

1.2.3 MAGNITUDES ESCALARES Y VECTORIALES, DESPLAZAMIENTO

Para describir los fenómenos naturales de nuestro universo, necesitamos de las cantidades físicas, que pueden agruparse en cantidades escalares y cantidades vectoriales.

Cantidades escalares: Son aquellas que son descritas por un número o magnitud y una unidad.

Cantidades vectoriales: Son las que necesitan ser descritas por una magnitud, una unidad y su dirección y sentido.

Características de un vector

Una cantidad vectorial representa sus características mediante una flecha denominada vector, cuyo inicio corresponde al punto de aplicación, su tamaño a su magnitud en escala, su inclinación a la dirección, y la punta de flecha a su sentido. Una de las ventajas de los vectores es la posibilidad de representarlos gráficamente, y su dirección puede darse tomando como referencia los puntos cardinales Norte, Sur, Este y Oeste.

Clasificación de vectores

Vectores colineales

Son los que se encuentran a lo largo de una misma línea de acción. Un vector colineal será positivo si su sentido es hacia la derecha o hacia arriba, y negativo si su sentido es hacia la izquierda o hacia abajo.

Vectores coplanares

Cuando están a lo largo de líneas diferentes. Cuando dos vectores colineales son iguales la resultante es cero.

Vectores concurrentes

Un sistema de vectores es concurrente cuando la dirección o línea de acción de los vectores se cruza en algún punto; el punto de cruce constituye el punto de aplicación de los vectores. a estos vectores se les llama angulares o concurrentes, porque forman un Angulo entre ellos.

Operaciones con Vectores

Para realizar operaciones con los vectores, debemos tener claro que no se pueden realizar de manera convencional, es decir no se suman, ni se restan de manera algebraica. Para ello, existen diferentes métodos para realizar las operaciones de suma o resta de vectores.

Método del paralelogramo.

La suma o resta de vectores puede calcularse con el siguiente procedimiento. Dados dos vectores A y B existe un vector C llamado suma o resultante, representado por : C = A + B, que se obtiene al colocar el extremo inicial u origen del vector B en el extremo final del vector A como se muestra:

El vector resultante o suma, se extiende del extremo inicial de a al extremo final de b. si los vectores son representados a escala entonces bastara hacer una medición cuidadosa para encontrar la magnitud de la resultante y con un transportador se determina la dirección y sentido con el ángulo en forma con la horizontal. Este método por realizarse mediante dibujos se le conoce como Método Gráfico.

Método analítico

Involucra las proyecciones de un vector sobre los ejes de coordenadas cartesianas, estas proyecciones se denominan componentes del vector; al hablar de componentes de un vector se debe pensar en un vector colocado en un sistema de coordenadas.

La dirección en este ejemplo la da el ángulo que forma el vector r con el eje x.

Para determinar las componentes de un vector, utilizaremos en la figura anterior las funciones trigonométricas siguientes:

SEN = CAT OPUESTO / HIPOTENUSA = Ry / R Ry = R SEN COS = CAT ADYACENTE / HIPOTENUSA = Rx / R Rx = R COS TG = CAT OPUESTO / CAT ADYACENTE = Ry / Rx = TG-1 Ry / Rx

Por otra parte, si conocemos las componentes del vector podemos conocer su magnitud utilizando el teorema de Pitágoras, es decir:

R = R2x + R2 y Casos prácticos

Desplazamiento

Cantidad vectorial que describe el cambio neto de la posición de un objeto

Por ejemplo, si un viajero parte de su hogar en automóvil hacia una ciudad k y recorre por carretera 230 km, dirigiéndose posteriormente a otra ciudad l alejada 85 km de k por carretera, decimos que la distancia recorrida por el es de 315 km. Si analizamos la figura, observamos que existe diferencia entre la distancia recorrida y el desplazamiento; la primera es un escalar con una magnitud de 315 km, mientras que la segunda es un vector de magnitud 93 km con una dirección de 32° al noroeste y que une el punto de partida con el final.

EJEMPLO 1

Calcula las componentes rectangulares del vector fuerza de 100 n que forma un ángulo de 120° con el eje de las x.

De acuerdo a la figura tenemos que 180° - 120° = 60°, siendo la componente x negativa, porque apunta hacia la izquierda, y la componente y positiva, porque apunta hacia arriba, entonces:

Fx = - F COS 60° = -(100 N) (0.5) = - 50 N Fy = F SEN 60° = -(100 N) ( 0.87) = 87 N

EJEMPLO 2

Calcula la resultante de las tres fuerzas coplanares de 40 n, 30 n y 20 n actuando sobre un objeto en 0, como se muestra en la figura

SOLUCIÓN

VECTOR COMPONENTE X VECTOR COMPONENTE Y

V1 40 N COS 60° = 40N (0.50) = 20 N

V2 30 N COS 120° = 30 N (-0.50) = -15 N

V3 20 N COS 270° = 20 N (0.00) = 0

R Rx = 5 N

V1 40 N SEN 60° = 40N (0.87) = 34.80N

V2 30 N SEN 120° = 30 N(0.87) = 26.10 N

V3 20 N SEN 270° = 20 N (-1) = -20 N

R Rx = 40.9 N

La magnitud de la resultante se calcula empleando el teorema de Pitágoras

R = R2x = R2 y = (5.00)2+(40.90)2 = 41.20 N

La dirección y sentido están determinados por el ángulo alfa y se calcula:

= ANG TAN ( Ry / R x ) = COT ( 41.20 / 5 ) = 83°

Actividad 5

Instrucciones:

1. Calcular grafica y analíticamente las componentes en x y en y de una fuerza de 25 n, actuando en una dirección de 42° respecto a la horizontal.

2. Calcular grafica y analíticamente la fuerza resultante equivalente a las siguientes fuerzas:F1 = 5 N A 30 °F2 = 4 N A 90 °F3 = 7 N A 135 °F4 = 6 N A 240 °

3. Calcular la fuerza resultante de las siguientes fuerzas:

F1 = 100 N a 0 °F2 = 50 N a 30 °F3 = 40 N a 120 °F4 = 50 N a 210 °

4. Calcular la fuerza resultante de las siguientes fuerzas:

F1 = 20 N A 30 °F2 = 30 N A 135 °F3 = 155 N A 215 °

ACTIVIDAD DE AUTOEVALUACIÓN

INSTRUCCIÓN:

Completa lo siguiente:lo que sabia

Recuerda y anota lo que sabias antes de iniciar la unidad

(conceptos, formulas, procedimientos)

Conceptos Definición Formulas Métodos o

procedimientos

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Lo que se

Recuerda y anota, lo que ahora, al finalizar la unidad sabes

(conceptos, formulas, procedimientos)

Conceptos Definición Formulas Métodos o

procedimientos

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.