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CENS 461
Materia: FISICA
Prof. Bernardini Silvia. Gómez Valeria. González Maximiliano. Núñez Manuel
TRABAJO PRACTICO Nª1 INTRODUCCION A LA
MATERIA
DEFINICIONES
DE FISICA
“Dado
su amplio campo de acción, la Física se puede entender como la ciencia que
trata de explicar la realidad. Realidad que se percibe en los fenómenos de la
naturaleza y en general del universo a nivel micro (cuántico) y a nivel
macro (leyes universales, como la
gravitación).
La filosofía se pregunta por el ¿qué? y el
¿por qué? de las cosas, mientras la física se pregunta por el ¿cómo? Para
cumplir con esa tarea, en Física se hacen suposiciones (hipótesis) que se
comprueban con base en discursos matemáticos.
Es por esto que la comprensión de los
fenómenos de la naturaleza no depende de la matemática, sino de los procesos de
reflexión acerca de la cotidianeidad. Es el caso del movimiento, este no se
comprende con fórmulas, se aprende observando, tomando medidas,
experimentando.” “La Física es una ciencia fundamental, dedicada a la
comprensión de los fenómenos naturales que ocurren en nuestro universo. Y
también una ciencia basada en observaciones experimentales, y en mediciones
cuantitativas
“La
Física lo es todo... Es ir a la tienda,
es ir a jugar, es ir al baño, es tomar un micro, es sentir, es pensar, es
imaginar, es escribir en un teclado de computadora, es subir un árbol, es
nadar, es correr para alcanzar a entrar a clase... es todo.”
“La Física es la ciencia que se encarga de
estudiar todos los fenómenos que ocurren en nuestro entorno, los cuales pueden
ser percibidos sin cambiar su estructura intima.”
“La Física es la ciencia que trata de explicar
por qué ocurren determinados fenómenos y un modo de vida para mentes inquietas”
“La
Física es la ciencia que se encarga de los componentes que forman nuestro
Universo, de las fuerzas que estos ejercen entre sí y de los efectos que
provocan estas fuerzas
“La Física es el complejo arte de describir y
explicar la realidad y todas sus posibles variantes tanto con lenguaje
matemático como con lengua normal.”
“La Física es mucho más que una simple
definición académica más o menos lograda o lucida
“Es
la ciencia que estudia la materia, sus propiedades, las leyes a que está
sometida y los fenómenos reales que los agentes naturales causan con su acción
sobre ella, diferenciándose dos grandes ramas, la física clásica y la física
moderna. La primera puede dividirse en:
mecánica, acústica, óptica, termodinámica y electrodinámica. La segunda incluye
la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad, y ramas como la
electrónica, la física nuclear y la astrofísica.”
“La
física es una ciencia natural que estudia las propiedades del espacio, el
tiempo, la materia, y la energía, así como sus interacciones”.
PRÁCTICA 1
a) Que ejemplos cotidianos puedes dar
sobre Física
b) Averigua si existen explicaciones de la Física
sobre fenómenos de la naturaleza en el país
PRACTICA 2
a)
Lee el texto que está a continuación y señala subrayándolos, los Físicos que
identificas
HISTORIA
DE LA FISICA
Se
conoce que la mayoría de civilizaciones de la antigüedad trataron desde un
principio de explicar el funcionamiento de su entorno, miraban las estrellas y
pensaban como ellas podían regir su mundo. Esto llevo a muchas interpretaciones
del entorno de carácter más filosófico que físico, no en vano en esos momentos
la física se integraba en la Filosofía Natural.
Durante el período helenístico, Alejandría se
había convertido en el centro científico de la civilización occidental
realizando sorprendentes avances. Destacada relevancia tuvo el matemático e
inventor Arquímedes, quien logró diseñar con palancas y tornillos varios
aparatos mecánicos prácticos y midió la densidad de objetos sólidos
sumergiéndolos en un líquido. Eratóstenes que midió la circunferencia de la
Tierra y elaboró un catálogo de estrellas. Tolomeo propuso el sistema que lleva
su nombre para explicar el movimiento planetario, que ubica a la Tierra en el
centro y el Sol, la Luna y las estrellas giran en torno a ella en órbitas
circulares.
Otros
filósofos se destacan en el desarrollo inicial de la física: Aristóteles junto
a otros filósofos fueron los primeros en
tratar de buscar algún tipo de explicación a los fenómenos que los
rodeaban. A pesar de que las teorías descriptivas del universo que dejaron
estos pensadores eran erradas, tuvieron validez durante casi dos mil años, en
parte por la aceptación de la iglesia católica, como por ejemplo la “Teoría
geocéntrica “que ubicaba a la Tierra en el centro del Universo. A esta etapa se
la denomino oscurantismo, que termina con Copérnico
Nicolás
Copérnico, considerado padre de la astronomía moderna, en 1543 que propone
teorías plausibles con su primera copia De Revolutionibus Orbium Coelestiu
Un
catedrático de matemáticas de la Universidad de Pisa a finales del siglo XVI
cambiaría la historia de la ciencia empleando por primera vez experimentos para
comprobar sus aseveraciones, Galileo Galilei. Con la invención del telescopio y
sus trabajos en planos inclinados, Galileo empleó por primera vez el método
científico y llegó a conclusiones capaces de ser verificadas. A sus trabajos se
le unieron grandes contribuciones por Johannes Kepler, Blaise Pascal, Christian
Huygens.
Posteriormente,
en el siglo XVII, un científico inglés reúne las ideas de Galileo y Kepler en
un solo trabajo, unifica las ideas del movimiento celeste y las de los
movimientos en la tierra en lo que él llamó gravedad. En 1687, Sir Isaac Newton
en su obra Philosophiae formuló los tres principios del movimiento y una cuarta
Ley de la gravitación universal que transformó por completo el mundo físico,
todos los fenómenos podía ser vistos de una manera mecánica. El trabajo de
Newton en el campo perdura hasta la actualidad; todos los fenómenos
macroscópicos pueden ser descritos de acuerdo a sus tres leyes. De ahí que
durante el resto de ese siglo y el posterior siglo XVIII todas las
investigaciones se basaron en sus ideas. De ahí que otras disciplinas se
desarrollaron, como la termodinámica, la óptica, la mecánica de fluidos y la
mecánica estadística.
Los conocidos trabajos de Daniel Bernoulli,
Robert Boyle, etc, pertenecen a esta época.
En
el siglo XIX se producen avances fundamentales en electricidad y magnetismo
principalmente Charles-Augustin de Coulomb, Luigi Galvani, Michael Faraday y
Georg Simón Ohm que culminaron con el
trabajo de James Clerk Maxwell de 1855 que logró la unificación de ambas ramas
en el llamado electromagnetismo. Además se producen los primeros
descubrimientos sobre radiactividad y el descubrimiento del electrón por parte
de Joseph John Thomson en 1897.
Durante el Siglo XX, la Física se desarrolló
plenamente. En 1904 se propuso el primer modelo del átomo. En 1905, Albert
Einstein formulo la teoría de la Relatividad especial, la cual coincide con las
Leyes de Newton cuando los fenómenos se desarrollan a velocidades pequeñas
comparadas con la velocidad de la luz. En 1915 extendió la Teoría de la
Relatividad especial, formulando la Teoría de la Relatividad general, la cual
sustituye a la Ley de gravitación de Newton y la comprende en los casos de
masas pequeñas. Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr y otros, desarrollaron
la Teoría cuántica, a fin de explicar resultados experimentales anómalos sobre
la radiación de los cuerpos.
En
1911, Ernest Rutherford dedujo la existencia de un núcleo atómico cargado
positivamente, a partir de experiencias de dispersión de partículas. En 1925
Werner Heisenberg, y en 1926 Erwin Schrödinger y Paul Adrien Maurice Dirac, formularon la
Mecánica cuántica, la cual comprende las teorías y suministra las herramientas
teóricas para la Física de la materia condensada.
En
la actualidad destacamos la importancia de Stephen Hawking (1942- ), físico,
teórico y cosmólogo británico. Ha trabajado en las leyes básicas que gobiernan
el universo. Junto con Roger Penrose mostró que la Teoría General de la
Relatividad de Einstein implica que el espacio y el tiempo han de tener un
principio en el Big Bang y un final dentro de agujeros negro
Trabajo practico n°2: Magnitudes
TRABAJO Practico N°3:Movimiento y
Velocidad
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Estado de un
sistema es una noción sintética y cuantitativa de todas sus propiedades.
Queda definido al medir magnitudes como presión, temperatura, volumen, masa,
posición y carga eléctrica.
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Movimiento.
Es el cambio de posición. Para que haya un cambio de posición debe haber
algo, que consideramos quieto, respecto a lo cual otra cosa se mueve. Eso que
consideramos quieto es nuestro sistema de referencia.
Nuestro marco de referencia
es el terreno, representado por el mapa.
Este mapa se puede coordenar, por ejemplo, superponiéndole una
cuadrícula. Con ella, si supiéramos qué distancia representa el lado de cada
cuadradito (y si la cuadrícula estuviera bien hecha, y no como yo la hice)
podríamos calcular cuánto se movió esta persona, contando cuántos segmentos se
movió hacia abajo y cuántos hacia la derecha.
Con esos dos datos. La distancia que se mueve hacia abajo y la que
recorre hacia la derecha, podemos calcular la distancia que se desplazó (usando
el Teorema de Pitágoras, pero no vamos a profundizar en eso, créanme que se
puede y ya)
En Matemática y en Física, generalmente usamos el eje cartesiano, como
sistema de coordenadas.
Como el eje horizontal lo identificamos con la letra X, es común
referirse a las posiciones con esa letra. Como el eje vertical es el Y, es
común referirse a las alturas con esa letra.
Si una pelota se encontraba en la posición
1 (Xi ,
por “posición inicial”) de nuestro marco de referencia sobre el eje horizontal,
y luego se desplaza hasta la posición 4
(Xf , por
“posición final”), se desplazó 3 unidades.
La cuenta es obviamente 4 – 1 = 3
que puede generalizarse a Xf – Xi = Desplazamiento
Atención a la cuestión temporal: los subíndices i y f, que significan inicial y final respectivamente, significan que una cosa ocurre antes que
otra: el orden es temporal. Por ejemplo, si la pelota hubiera estado primero en
la posición 4 y luego en la posición 1, el desplazamiento hubiera sido:
Xf – Xi = 1 – 4 = -3
Por ejemplo, la mosca que hay abajo, se mueve sobre el plano formado por
los dos ejes.
Si considero solo el eje Y, la mosca tiene las siguientes posiciones:
-4 → 4 → 3 → 1 El desplazamiento total en Y es Yf
– Yi = 1 - (-4) = 5
Si considero solo el eje X
-3 → -2 → 2 → 4 El desplazamiento en X es Xf
– Xi = 4 – (-3) = 7
En resumen, la mosca se movió 5 unidades hacia arriba y 7 hacia la
derecha. Prueben contarlas en el gráfico.
Velocidad:
Si contamos además del desplazamiento, cuánto tiempo emplea para
desplazarse podemos calcular la rapidez o velocidad. (Ojo, rapidez y velocidad
no son conceptos equivalentes, los diferenciaremos cuando lo necesitemos. De
momento, podemos hacer de cuenta que es lo mismo)
Rapidez o velocidad=
La operación Estado
final
– Estado inicial es tan usada en matemática y física, que tiene
un símbolo propio: Δ (la letra griega DELTA, mayúscula) y se usa para varas
cosas: Si escribo Δx hablo del desplazamiento horizontal, si pongo Δy, la
variación de la altura, si escribo Δt hablo de un lapso de tiempo, si escribo
ΔV hablo de una variación del volumen, y así.
Ejemplo:
Vamos a suponer que esta pelota se mueve desde la posición 1m (metro) a
la posición 4m (metro)y que pusimos el cronómetro en marcha cuando estaba en la
posición 1m, y al llegar a la posición 4m, paramos el cronómetro en 2,5s
(segundos)
Entonces:
|
Tiempo inicial: 0 s |
Posición inicial: 1
m |
|
Tiempo final : 2,5 s |
Posición final: 4 m |
La velocidad será:
V =
Como siempre dividimos cantidades con unidades de longitud (m, dm, mm,
cm, km…) por unidades de tiempo (año, hora, minutos, segundos) las unidades de
velocidad son combinaciones de estos
m/s km/h cm/año
mm/min etc.
La unidad en el Sistema Internacional (el que vamos a usar más
frecuentemente) es el metro por segundo (m/s). También se utiliza mucho los
kilómetros por hora (km/h)
Ejercicios:
1.
Se cronometró a una hormiga mientras
se movía alrededor de su hormiguero y se tomó nota de las posiciones en que se
encontraba a cada tiempo.
El
eje X representa la distancia expresada en metros
a)
¿Cuánto se desplazó en los primeros 2
segundos?
b)
¿Cuánto se desplazó en los primeros 3
segundos?
c)
¿Cuánto se desplazó en los primeros 7
segundos?
d)
Calcular la velocidad que tuvo la
hormiga desde A→B, de B→C, de C→D, B→C y del viaje total, es decir desde A→D
2.
Una pelota de fútbol reglamentaria,
viaja a 30m/s, ¿Cuántos segundos le llevará llegar al arco que se encuentra a
14,4 m desde dónde fue pateada?
3.
¿Cuántos metros recorre el sonido de
un trueno en 7 segundos? La velocidad del sonido en el aire húmedo y cálido es
350 m/s
TRABAJO N°4 FUERZA Y MASA
¿QUE ES FUERZA EN FÍSICA?
La fuerza es un modelo
matemático de intensidad de
las interacciones, junto con la energía. Así,
por ejemplo, la fuerza gravitacional es la atracción
entre los cuerpos que tienen masa, el peso es la atracción que la Tierra ejerce sobre los objetos en las
cercanías de su superficie, la fuerza elástica
es la que ejerce un resorte deformado (comprimido o estirado). En física, hay dos tipos
de ecuaciones de fuerza: las "de
causas", en las cuales se especifica el origen de la atracción o repulsión, como, por ejemplo, la ley
de la gravitación universal de Newton o la ley
de Coulomb; y las "de
efectos", la cual es, fundamentalmente, la segunda ley de Newton.
La fuerza es una magnitud
física de carácter vectorial capaz de deformar
un cuerpo (efecto estático),
modificar su velocidad o vencer su inercia y ponerlos en
movimiento si estaban inmóviles (efecto
dinámico). En este sentido, la fuerza puede definirse como toda acción o influencia capaz de modificar
el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo (imprimiéndole una aceleración que modifica el módulo o la dirección de su
velocidad).
¿COMO SE CLASIFICAN LAS FUERZAS?
Fuerzas de contacto
y fuerzas a distancia
En un sentido estricto, todas las
fuerzas naturales son fuerzas producidas a distancia como producto de la interacción entre cuerpos;
sin embargo desde el punto de vista macroscópico, se acostumbra a dividir a las fuerzas en dos tipos generales:
·
Fuerzas de contacto, las que se dan como producto de la interacción de los cuerpos en contacto directo; es decir,
impactando sus superficies libres
(como la fuerza normal).
·
Fuerzas a distancia, como la fuerza gravitatoria o la coulómbica entre cargas, debido a la interacción entre campos (gravitatorio,
eléctrico, etc.) y que se producen cuando los cuerpos están separados cierta distancia unos de los otros, por ejemplo: el peso.
|
FN representa la fuerza normal ejercida por el plano inclinado sobre el objeto situado sobre él. |
Fuerzas internas y de contacto
En los sólidos, el principio de exclusión de Pauli conduce junto con la conservación de la energía a
que los átomos tengan sus electrones
distribuidos en capas y tengan impenetrabilidad a pesar de estar vacíos
en un 99 %. La impenetrabilidad se deriva
de que los átomos sean "extensos" y que los
electrones de las capas exteriores ejerzan fuerzas electrostáticas de repulsión
que hacen que la materia sea macroscópicamente impenetrable.
Lo anterior se traduce en que dos
cuerpos puestos en "contacto" experimentarán superficialmente fuerzas resultantes normales (o aproximadamente
normales) a la superficie que impedirán el solapamiento de las
nubes electrónicas de ambos cuerpos
Las fuerzas internas son similares a
las fuerzas de contacto entre ambos cuerpos y si bien tienen una forma
más complicada, ya que no existe una superficie macroscópica a través de la
cual se den la superficie. La complicación se traduce por ejemplo en que
las fuerzas internas necesitan ser modelizadas
mediante un tensor
de tensiones en que la fuerza
por unidad de superficie que experimenta
un punto del interior depende de la dirección a lo largo de la cual se
consideren las fuerzas.
Lo anterior se refiere a sólidos, en
los fluidos en reposo las fuerzas internas dependen esencialmente de la presión, y en los fluidos en movimiento
también la viscosidad puede desempeñar un papel importante.
Fricción
La fricción en sólidos puede darse
entre sus superficies libres en contacto. En el tratamiento de los problemas mediante mecánica newtoniana,
la fricción entre sólidos frecuentemente se modeliza como una fuerza tangente sobre cualquiera de los planos del
contacto entre sus superficies, de valor proporcional a la fuerza normal.
El rozamiento entre sólido-líquido y
en el interior de un líquido o un gas depende esencialmente de si el
flujo se considera laminar
o turbulento y de su ecuación constitutiva.
Fuerza gravitatoria
En mecánica
newtoniana la fuerza
de atracción entre dos masas, cuyos centros
de gravedad están
Leyes de Newton: Mirar el siguiente link: https://www.youtube.com/watch?v=86ZNmoAdlNg
EN
ESTA PARTE VAMOS A COMENZAR A APLICAR LAS FORMULAS
APRENDIDAS
ESTA EL MOMENTO.
COMENZAREMOS APLICANDO LA 2°LEY DE
NEWTON: RECORDEMOS LAS UNIDADES DE MEDIDAS, DE CADA ELEMENTO
La segunda Ley de Newton
nos advierte, que la fuerza
F que actúa en un cuerpo es directamente proporcional a la
aceleración y a la masa. Y la escribíamos matemáticamente mediante
la siguiente fórmula:
De
aquí podemos decir
que entre mayor sea la masa de un cuerpo,
tanto mayor será su inercia;
es decir, la masa de un cuerpo es una medida de la inercia del mismo.
Dónde:
F = Magnitud de la fuerza
aplicada a un cuerpo (N)
m = Masa
del cuerpo (kg)
a = Magnitud de la aceleración
que recibe el cuerpo (m/s²)
|
Ejemplo 1.- Calcular
la magnitud de la aceleración que produce una fuerza cuya magnitud es
de 50 N
a un cuerpo
cuya masa es de
13,000 gramos. Expresar el
resultado en m/s^2 |
Solución: En el ejemplo, tenemos
prácticamente nuestros datos,
que es lo primero que tenemos
que hacer.
F =
50 N
m =
13,000 gramos a = ?
Hacemos la conversión de los gramos
a kilogramos, ya que son las unidades del sistema internacional.
Despejando la aceleración de la fórmula
de la segunda ley de Newton, tenemos:
Que
vendría a ser nuestro resultado.
|
Ejemplo 2.- Calcular la masa de un cuerpo si al recibir una fuerza cuya magnitud de 350 N le produce una aceleración cuya magnitud es de 520 cm/s^2. Exprese el resultado en kg (Unidad de masa del sistema internacional). |
Solución: Hacemos
lo mismo del paso anterior, vamos a colocar nuestros datos, con ello tenemos
entonces:
F =
350 N
a = 520 cm/s^2
m = ?
Vamos
a colocar a nuestra aceleración en unidades de metros por segundo al cuadrado, para ello
hacemos nuestra conversión.
Ahora
si podemos despejar
a la masa de la fórmula
de Newton.
|
Ejemplo 3.- Determinar
la magnitud de la fuerza que recibe un cuerpo de 45 kg, la cual le produce una aceleración cuya
magnitud es de 5 m/s^2. |
Solución: Pasamos a escribir los datos:
m =
45 kg a = 5m/s^2 F = ?
Entonces aplicamos la fórmula de la
segunda Ley de Newton
EJERCITACION
1-
Un objeto de 6 kg experimenta una aceleración de 2 m/s2.
a)
¿Cuál es la magnitud de la fuerza
de la fuerza resultante que actúa sobre
él?
b)
Si se aplica esta misma fuerza a un objeto
de 4 kg, ¿qué aceleración le producirá?
2-
Una fuerza
de 10 N actúa sobre un cuerpo
de masa 2 kg.
a)
¿Cuál es la aceleración del cuerpo?
3-
¿Cuál es la masa de un astronauta cuyo peso en la Luna es de 115 N? La aceleración debida a la gravedad en la Luna es de 1,63
m/s2.
4-
Cuando una persona camina,
¿cuál es la fuerza que lo mueve hacia adelante?
¿quién hace esa fuerza?
5-
Calcular la masa de un objeto de 30N que va a una aceleración de
20m/seg2 6- Hallar la Fuerza de un carro al tirar
120kg con una aceleración de 50m/seg2
6-
¿Cuál es la masa de un astronauta cuyo peso en la Luna es de 115 N? La aceleración debida a la gravedad en la Luna es de 1,63
m/s2.
7-
Cuando una persona camina,
¿cuál es la fuerza que lo mueve hacia adelante?
¿quién hace esa fuerza?
8-
Calcular la masa de un objeto de 30N que va a una aceleración de
20m/seg2 6- Hallar la Fuerza de un carro al tirar
120kg con una aceleración de 50m/seg2
9-
¿Cuál es la masa de un astronauta cuyo peso en la Luna es de 115 N? La aceleración debida a la gravedad en la Luna es de 1,63
m/s2.
10-
Cuando una persona camina,
¿cuál es la fuerza que lo mueve hacia adelante?
¿quién hace esa fuerza?
11- Calcular la masa de un
objeto de 30N que va a una aceleración de 20m/seg2 6- Hallar la Fuerza de un carro al tirar 120kg con una aceleración de 50m/seg2
TRABAJO N°5:
ACELERACIÓN Y TRABAJO
ACELARACION
Hablamos de aceleración
cuando hay una modificación en la velocidad. Por ejemplo, si
algo, supongamos un auto, está inicialmente quieto, y empieza a moverse, hasta
alcanzar una cierta velocidad, decimos que aceleró.
Pero si el auto viaja a una velocidad, supongamos, 40km/h y frena,
también aceleró (aunque es común hablar de desaceleración, se trata del mismo
concepto físico).
Ahora nos vamos a poner finos. La velocidad es una magnitud VECTORIAL. ¿Qué significa
esto? Que queda bien expresada solo y cuando la expresamos como un vector. Esto es el valor de la velocidad (el módulo, le
llamamos) más datos de orientación, sentido y punto de aplicación. Lo
representamos como una flecha.
No vamos a profundizar en esto salvo en que si representamos las
velocidades con vectores (la flecha) cualquier modificación de la misma
constituye una aceleración.
¿Qué significa?
A)
Que en esta situación existe aceleración:
B)
En esta también, aunque le llamamos frenar o desacelerar, es acelerar, conceptualmente en Física
C)
Pero estas dos también son aceleraciones, aunque el velocímetro del
auto no marque diferencia…
Un cambio en la DIRECCIÓN es
aceleración (aún manteniendo la misma rapidez)
Fíjense que todo este análisis no lo podríamos haber realizado
sólo con los números de las velocidades (sus módulos) y es por eso que son
magnitudes vectoriales: el vector nos permite completar la información que
falta.
Por supuesto la aceleración depende también de cuánto se tarde en
realizar el cambio de velocidad.
Matemáticamente la calculamos así
Aceleración =
Donde V es
la velocidad, t el
tiempo
Y Δ es el
operador “delta” que significa CAMBIO o variación, la resta de un estado FINAL
– estado INICIAL
Por lo tanto, se puede escribir de esta forma:
Aceleración =
Las unidades de la
aceleración son unidades de longitud (mm, cm, m, km) divididas por unidades de
tiempo al cuadrado (s², min², h²). La que vamos a usar nosotros y que pertenece al SI (Sistema
Internacional de unidades) es metros sobre segundo al cuadrado: m/s²
La aceleración también es
una magnitud vectorial, como la velocidad.
Trabajo
Ahora sí estamos listos para ver TRABAJO, en una de sus formas.
Usamos comúnmente la palabra trabajo de
diversas maneras: vamos al trabajo, trabajamos
en proyectos, trabajamos en nuestro escritorio
o con computadoras, trabajamos en
problemas. Sin embargo, en Física, trabajo tiene
un significado muy específico.
Mecánicamente, el trabajo implica fuerza y
desplazamiento, y usamos la palabra trabajo para describir
cuantitativamente lo que se logra cuando una fuerza mueve un objeto cierta
distancia.
En el caso más sencillo de una fuerza constante
que actúa sobre un objeto, el trabajo se define como sigue:
El trabajo efectuado por una fuerza
constante que actúa sobre un objeto es igual al producto de las magnitudes del
desplazamiento y el componente de la fuerza paralelo a ese desplazamiento.
La unidad de trabajo es el joule (J) que ya vimos en energía. Un J es un kg.m²/s² o más corto: N.m
(porque N= kg.m/s²)
Ejemplos:
Si se empuja horizontalmente un mueble, haciendo una fuerza
paralela al suelo, de 34N y se lo mueve 2m,
Se realizó un trabajo de
T= F.d
T= 34N . 2m = 68J
Los vectores de la fuerza y el desplazamiento deben ser paralelos para
usar esta ecuación. La clase que viene vemos otra más general.
¿Qué pasa acá? ¿Hay trabajo? El objeto de estudio es la bolsa.
La respuesta es no. La bolsa se desplaza en forma horizontal
(paralela al piso) y la fuerza que la sostiene (brazo del muchacho) es
perpendicular. Lo mismo vale para el peso. Ni el peso (P) ni la fuerza que hace
el muchacho (F) realizan trabajo sobre la bolsa.
Ejercicios:
1. Un buey desplaza un arado, realizando una
fuerza constante, de 1176N,
a lo largo de 550m
¿Cuánto trabajo hizo?
2.
Un caballo transporta a un jinete durante 9000m. La masa del jinete es de 78kg. ¿Cuánto trabajo hizo
sobre el jinete?
3. ¿Qué fuerza hay que aplicar sobre un auto de
1200kg de masa, para
realizar un trabajo de 2000J?
TRABAJO PARCTICO N°6: ENERGIA - CLASIFICACION
¿Qué es la Energía?
La energía ha constituido una
pieza clave para el desarrollo de la humanidad. El hombre, desde el
principio de su existencia, ha necesitado la energía para sobrevivir y avanzar.
Pero ¿qué es la energía y por qué tiene tanta importancia?
La energía es la capacidad de
los cuerpos para realizar un trabajo y producir cambios en ellos mismos o en
otros cuerpos. Es decir, el concepto de energía se define como la capacidad de
hacer funcionar las cosas.
La unidad de medida que
utilizamos para cuantificar la energía es el joule (J), en
honor al físico inglés James Prescott Joule.
Tipos de energía
La energía se manifiesta de diferentes
maneras, recibiendo así diferentes denominaciones según las acciones y los
cambios que puede provocar.
Energía mecánica
La energía mecánica es aquella
relacionada tanto con la posición como con el movimiento de los cuerpos y, por
tanto, involucra a las distintas energías que tiene un objetivo en movimiento,
como son la energía cinética y la potencial. Su fórmula es:
|
Em =Ep+Ec |
Donde Em. es la energía mecánica
(J), E p la
energía potencial (J) y Ec la energía cinética (J). |
Energía Potencial
La energía
potencial hace referencia a la posición que ocupa una
masa en el espacio. Su fórmula es:
|
Ep=m•g•h |
Donde m es la masa (kg), g la gravedad de la
Tierra (9,81 m/s2 ), h es la altura (m) y Ep la
energía potencial (J=Kg·m2 /s2 ). |
Energía Cinética
La energía
cinética por su parte se manifiesta cuando los cuerpos se mueven y
está asociada a la velocidad. Se calcula con la fórmula:
|
Ec= ½ m • v2 |
Donde m es la masa (Kg), v la velocidad (m/s) y Ec la
energía cinética (J=Kg·m2 /s2 ) |
Energía interna
La energía interna se
manifiesta a partir de la temperatura. Cuanto más caliente esté un cuerpo, más
energía interna tendrá.
Energía eléctrica
Cuando dos puntos tienen una
diferencia de potencial y se conectan a través de un conductor eléctrico se
genera lo que conocemos como energía eléctrica, relacionada con la corriente eléctrica.
Energía térmica
Se asocia con la cantidad
de energía que pasa de un cuerpo caliente a otro más frío
manifestándose mediante el calor.
Energía
electromagnética
Esta energía se atribuye
a la presencia de un campo electromagnético, generado a partir del movimiento de partículas
eléctricas y magnéticas moviéndose y oscilando a la vez. Son lo que conocemos
como ondas electromagnéticas, que se propagan a través del espacio
y se trasladan a la velocidad de la luz.
El Sol es un ejemplo de ondas
electromagnéticas que se pueden manifestar como luz, radiación infrarroja y
también ondas de radio.,
Energía química
La energía química se manifiesta en determinadas reacciones
químicas en las que se forman o rompen enlaces químicos. El carbón, el
gas natural o el funcionamiento de las baterías son algunos ejemplos del uso de
esta energía.
La energía nuclear
La energía nuclear es la que se genera al interactuar los átomos entre sí. Puede
liberarse a través de su rotura, lo que se conoce como fisión, o de
su unión, lo que se denomina fusión.
Propiedades de la
energía
La energía tiene 4 propiedades
básicas:
·
Se transforma. La energía no se crea, sino que se transforma
y es durante esta transformación cuando se manifiestan las diferentes formas de
energía.
·
Se conserva. Al final de cualquier proceso de
transformación energética nunca puede haber más o menos energía que la que
había al principio, siempre se mantiene. La energía no se destruye.
·
Se transfiere. La energía pasa de un cuerpo a otro en forma
de calor, ondas o trabajo.
·
Se degrada. Solo una parte de la energía transformada es
capaz de producir trabajo y la otra se pierde en forma de calor o ruido
(vibraciones mecánicas no deseadas).
La importancia del uso de las energías Renovables para cuidar al
Planeta.
Las energías renovables son fuentes de
energía limpias, inagotables y crecientemente competitivas. Se
diferencian de los combustibles fósiles principalmente en su diversidad,
abundancia y potencial de aprovechamiento en cualquier parte del planeta,
pero sobre todo en que no producen
gases de efecto invernadero –causantes del cambio climático- ni emisiones contaminantes.
El desarrollo de las energías limpias es imprescindible para combatir el
cambio climático y limitar sus efectos más devastadores. El 2014
fue el año más cálido desde que existen registros. La Tierra ha sufrido un
calentamiento de 0,85ºC de media desde finales del siglo XIX, apunta National
Geographic en su número especial del Cambio Climático de noviembre de
2015.
En paralelo, unos 1.100 millones de
habitantes , el 17% de la población mundial, no disponen de acceso a la
electricidad. Igualmente, 2.700 millones de personas –el 38% de la población
global- utilizan biomasa tradicional para cocinar, calentarse o iluminar
sus viviendas con grave riesgo para su salud.
Por eso, uno de los objetivos
establecidos por las Naciones Unidas es lograr el acceso universal a la electricidad en 2030, una
ambiciosa meta si se considera que, según las estimaciones de la AIE, todavía
habrá en esa fecha 800 millones de personas sin acceso al suministro eléctrico,
de seguir la tendencia actual.
Las energías renovables han recibido un importante respaldo de la
comunidad internacional con el ‘Acuerdo
de París’ suscrito en la Cumbre
Mundial del Clima celebrada en diciembre de 2015 en la capital
francesa.
El acuerdo, que entrará en vigor en
2020, establece por primera vez en la historia un objetivo global
vinculante, por el que los casi 200 países firmantes se comprometen a reducir sus emisiones de forma
que el aumento de la temperatura media del planeta a
final del presente siglo quede “muy
por debajo” de los dos grados, -el límite por encima del cual el cambio
climático tiene efectos más catastróficos- e incluso a intentar dejarlo en 1,5
grados.
Actividades
1- Leer la información suministrada,
eso te permitirá responder las siguientes preguntas.
2- ¿Cómo se define a la energía?
3- ¿Que tipos de energía conoce?.
4- ¿Que son las energías Renovables?
Dar ejemplos
5- ¿Que son las energías no
Renovables? Dar ejemplos
6- Según el extracto de texto enviado
"La importancia del uso de las energía renovables para cuidar al
Planeta": ¿Como justifica al uso de las energías?
7- ¿Cuál es tu reflexión luego de la
lectura, somos un Planeta, que cuidamos nuestro entorno?
8- Buscar. ¿cuáles son las Energías
Renovables? ¿En nuestro País donde utilizamos algunas
de ellas?
TRABAJO PRACTICO N°7: CONSERVACION Y
TRANSFORMACION DE LA ENERGIA
Transformación
energética
Una transformación energética es cualquier proceso
en el cual un tipo de energía a través de un proceso físico o químico se
transforma en otro tipo de energía.
|
|
|
Imagen 20.
Motor de explosión de 4 |
Un ejemplo en que suceden múltiples transformaciones
energéticas sería un motor de combustión de un coche.
https://www.youtube.com/watch?v=As-5aUhY7LY&t=75s CONSERVACION DE ENERGIA
Inicialmente el combustible almacena energía química
en las moléculas que lo forman. Cuando el combustible explosiona dentro de los
cilindros esa energía química se transforma en energía térmica. La energía
térmica liberada hace mover los pistones de los cilindros, la energía pasa a
ser energía cinética. Por último, parte de la energía se pierde a través de las
paredes del motor como calor y como energía de rozamiento entre sus piezas.
En ninguno de los procesos anteriores se crea o
desaparece energía, lo que ocurre es que la energía pasa a tener distinta
forma. Este es un caso particular del principio de conservación de la energía.
Principio
de conservación de la energía
En
toda transformación energética la energía total de un sistema aislado permanece
constante. La energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede transformar
de una forma a otra.
|
|
|
Imagen 21. Primera ley de la termodinámica
Fuente: http://www.textoscientificos.com |
Si reflexionas un poco sobre el principio de
conservación de la energía y el ejemplo del motor de explosión tal vez te des
cuenta de que las cosas parecen no ser tan sencillas.
El principio de conservación establece que la
energía total del sistema es constante. En principio pues, toda la energía
química liberada por el combustible debería de transformarse en energía
cinética en el pistón. Sin embargo el motor al funcionar se calienta, parte de
la energía se está perdiendo en forma de calor a través de las paredes del
motor, parece que no se esté cumpliendo el principio de conservación. ¿Qué está
pasando?
Si te fijas en la definición del principio de
conservación de la energía hay una expresión que aparece resaltada en negrita
"sistema aislado". Un sistema aislado es aquel que no puede
intercambiar ni materia ni energía con su entorno. El motor de explosión de un
coche no es un sistema aislado ya que intercambia calor con el exterior (las
paredes del motor emiten calor aumentando la temperatura del entorno), no se le
puede aplicar el principio de conseveración.
La mayoría de los sistemas físicos y máquinas
industriales en partícular no son sistemas aislados, necesitamos pues un
principio más general que incluya al anterior pero que permita estudiar
cualquier tipo de sistema, este principio es el primer principio de
termodinámica.
Primer
principio de la termodinámica:
La
variación de la energía interna de un sistema cerrado en una transformación
energética es igual al calor comunicado al sistema desde el entorno menos el
trabajo realizado por el sistema. Es decir:
Donde:
·
ΔE = Variación de energía interna en el sistema.
·
Ef y Ei =Energía final e inicial del
sistema.
·
Q = Calor o energía de cualquier tipo que recibe el sistema.
·
W = Trabajo que se extrae del sistema.
Aclaraciones:
·
Un sistema cerrado es
aquel en el que no puede entrar ni salir materia.
·
En el caso de que el
sistema cediese calor al entorno en vez de recibirlo su valor se consideraría
negativo.
·
En el caso de que el
trabajo lo recibiera el sistema en lugar de aportarlo su valor se consideraría
negativo.
¿Qué es un sistema abierto?
Cuando hablamos de un sistema abierto (o también de
sistema flotante o sistema de volumen constante) nos referimos a una porción
del universo delimitada o abstraída mentalmente del resto, es decir, un sistema cuyo rasgo fundamental es que permite el
libre intercambio de información con su entorno, sin presentar barreras ni Características
de los sistemas abiertos
Los
sistemas abiertos, de acuerdo a la teoría, se caracterizan por:
- Permite
el libre intercambio de información (materia,
energía, dinero, etc.) entre el adentro del sistema y el afuera o medio
exterior.
- Dado que buena parte de su información proviene del afuera,
para efectos prácticos del estudio del sistema, puede considerarse como
una fuente inagotable y constante en el sistema, o sea, que estos
sistemas, en teoría, poseen recursos inagotables.
- Carecen
de barreras o impedimentos para el flujo de información, o bien los poseen, pero sólo hasta una cierta y limitada
cantidad.
Ejemplos de los sistemas abiertos
En el
mundo de la física, un sistema
termodinámico abierto es aquel que permite el paso de energía libremente del
adentro al afuera y viceversa. Es lo que ocurre con un envase abierto con agua caliente, que irradia
su calor al entorno más frío, hasta que se produce un equilibrio termodinámico entre el adentro y el afuera del sistema.
Además, el agua puede vertirse, es decir que también puede intercambiar
materia.
ACTIVIDADES
1. Explicar las propiedades de la
energía; transformación, conservación, y degradación. Dar ejemplos de
situaciones en las que ocurran o se manifiesten estas propiedades.
2. ¿Qué es un sistema?
3. Marcar con una cruz lo que
corresponda a cada sistema.
|
Sistema |
Intercambia materia y
energía con el entorno |
Intercambia energía
con el entorno, pero no materia |
No intercambia ni materia ni
energía con el entorno |
|
Abierto |
|
|
|
|
Cerrado |
|
|
|
|
Aislado |
|
|
|
A) ¿Cómo clasificarías los siguientes
sistemas? (Podés tachar los que no corresponda) Justificar
·
Una
célula (aislado/cerrado/abierto)
·
El
café caliente en un termo (aislado/cerrado/abierto)
·
Un
perro (aislado/cerrado/abierto)
·
Una
estrella (aislado/cerrado/abierto)
·
El
atún envasado dentro de una lata (aislado/cerrado/abierto)
B)
¿La Energía es una “cosa”
o es “algo abstracto”? ¿En tú opinión, se trata de un concepto fácil o difícil
de definir?
C)
En base al Principio de
Conservación de la Energía, calcular cuánta energía se disipa por calor
D) ¿Cómo es posible que la energía se
degrade al mismo tiempo que se conserva? ¿Hay contradicción? Explicar
TRABAJO PARCTICO N°8 CALOR Y TEMPERATURA
Teoría
Calor y temperatura
La diferencia entre calor y
temperatura radica en que el calor se define como el movimiento o
intercambio de energía entre cuerpos, mientras que la temperatura es la
medida de la agitación de las moléculas de un cuerpo.
La relación entre calor y temperatura es que para que la temperatura de
un cuerpo cambie debe haber una transferencia de calor.
|
Calor |
Temperatura |
|
|
Definición |
Transferencia
de energía de un cuerpo a otro. |
Medida
de la energía cinética de las moléculas de un material. |
|
Unidades |
·
Joule ·
Calorías |
·
Celsius ·
Kelvin ·
Farenheit |
|
Instrumento
de medición |
Calorímetro |
Termómetro |
|
Ejemplos |
Una
cuchara caliente transfiere calor al agua fría de una taza. |
·
La
temperatura del agua al hervir es igual a 100ºC. ·
La
temperatura del cuerpo humano es en promedio 37ºC. |
¿Qué es el calor?
La definición de calor en física es la transferencia de energía térmica
que fluye de un cuerpo con mayor temperatura a otro de menor temperatura. El
equilibrio térmico se alcanza cuando la temperatura entre ambos cuerpos es la
misma. En física no existe tal concepto como "la cantidad de calor de un
cuerpo".
La transmisión del calor puede ocurrir de las siguientes maneras:
·
Conducción térmica: la transferencia de calor es dada por la agitación de moléculas que
ocasiona la subida de las temperaturas, la dilatación de cuerpos, la fundición
de sólidos y la evaporación de líquidos.
·
Convección térmica: la transferencia de calor ocurre entre líquidos y gases. Por ejemplo:
al hervir agua.
·
Irradiación térmica: el calor es propagado por las ondas electromagnéticas sin la necesidad
de tener contacto ambos cuerpos.
En el Sistema Internacional de Unidades (SI) el calor se mide en
unidades de energía joules (J). También se puede medir en calorías, siendo 1
caloría =4,186 joules. La calorimetría es la parte de la
física que estudia el calor, es decir, la transferencia de energía de un cuerpo
para otro.
¿Qué es la temperatura?
La temperatura es la magnitud física que mide la energía cinética de las
moléculas y el estado térmico de un cuerpo. Esto es, mientras más caliente esté
el cuerpo, mayor es su agitación molecular, por el contrario, cuanto más frío
esté el cuerpo, menor es su agitación molecular.
El termómetro es el aparato utilizado para medir la temperatura, cuyo
valor puede ser presentado en escalas termométricas:
·
Celsius (°C),
·
kelvin (K) o
·
Fahrenheit (°F).
En la escala de Kelvin el valor del punto de fusión del agua es de 273 K
(0°C), y el de ebullición es de 373 K (100°C). En la escala de Fahrenheit, el
punto de fusión del agua es de 32°F (0°C) y el de ebullición es de 212°F (100
°C).
CONVERSIÓN DE TEMPERATURA
Existen tres tipos de escalas de temperatura:
a) Escala de
Celsius: Esta escala fue
creada por Anders Celsius en el año 1742, también llamada escala centígrada. La
relación entre grados centígrados a grados Fahrenheit se relaciona con la ecuación:
|
9 |
b) Escala de
Fahrenheit: Esta escala fue
propuesta por Gabriel Fahrenheit en el año 1724. La ecuación de esta en
relación a °C, se representa con la ecuación:
9
c) Escala Kelvin: Lord Kelvin. Tiene la siguiente ecuación:
K = °C + 273,15
EJEMPLOS
·
Ejemplo 1:
Convertir 100°F a grados centígrados:
°C= 5/9 (°F-32) = 5/9 (100-32) = 5/9 (68) = 5 x 68 / 9 = 37.77°C
·
Ejemplo 2:
Convertir 100°C a grados Fahrenheit
°F = 9/5 °C + 32 = 9/5 (100) + 32 = 9 x 100 / 5 + 32 = 180 + 32 = 212°F
·
Ejemplo 3.
Convertir 100°C a grados Kelvin
K= °C + 273,15 = 100 + 273,15 = 273,15 K
·
Ejemplo 4:
Convertir 50 grados Kelvin a grados Centígrados
°C= K – 273,15 = 50 – 273,15 = -223°C
EJERCICIOS
Ejercicio 1. Convertir 340 grados Fahrenheit a centígrados. Ejercicio 2. Convertir 360°C a grados Fahrenheit
Ejercicio 3. Convertir 90°C a Kelvin
Ejercicio 4. Convertir 80 grados Kelvin a grados Centígrados
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