CUADERNO DIGITAL

¿Qué es la física?

 La física es la ciencia que estudia el funcionamiento del universo, desde el movimiento de la materia por el espacio y el tiempo, hasta la energía y la fuerza. La palabra física deriva del griego physika, que significa 'cosas naturales'. La física utiliza el método científico para descubrir los principios básicos que gobiernan la materia. La física existe para ayudarnos a darle sentido a lo que nos rodea.

 ¿Qué estudia la física? 

El propósito de la física es describir el funcionamiento de todo a nuestro alrededor, desde el movimiento de partículas diminutas hasta el movimiento de las naves espaciales. Velocidad, movimiento, dirección y aceleración son términos comunes en física. La física también explica los fenómenos luminosos y sonoros. La luz y el sonido son ondas con características particulares. Conceptos como calor, trabajo, fuerza y energía han sido desarrollados gracias al trabajo de importantes físicos.

 Ramas de la física 

La física es una ciencia vasta con muchos campos a ser explorados, desde lo intensamente pequeño hasta lo absolutamente grande. Por eso existen muchas ramas de la física dentro de las que se pueden mencionar: 

•  Termodinámica: estudia todo lo referente a calor y temperatura.
•   Mecánica clásica: se dedica al estudio del movimiento de los cuerpos y las fuerzas que actúan sobre ellos. 
•  Mecánica cuántica: se encarga de las partículas atómicas y subatómicas y sus interrelaciones.
•  Electromagnetismo: estudia la electricidad y el magnetismo y sus interrelaciones.
•  Acústica: el sonido es el objeto de estudio de la acústica. 
• Óptica: se interesa por los fenómenos luminosos y la visión.

¿Qué es la fuerza?

En el campo de la física, la fuerza es una magnitud vectorial, y es toda causa capaz de cambiar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo. La fuerza que actúa sobre un objeto de masa m es igual a la variación del momento lineal (o cantidad de movimiento) de dicho objeto respecto del tiempo. La unidad de fuerza en el Sistema Internacional (SI) es el newton, de símbolo N. El concepto de fuerza se suele explicar matemáticamente en términos de las tres leyes del movimiento de Newton.

Leyes de Newton

Las leyes de Newton, también conocidas como leyes del movimiento de Newton, son tres principios a partir de los cuales se explican una gran parte de los problemas planteados en mecánica clásica, en particular aquellos relativos al movimiento de los cuerpos, que revolucionaron los conceptos básicos de la física y el movimiento de los cuerpos en el universo.

                                 

Primera ley o ley de inercia:

La primera ley de Newton, conocida también como Ley de inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actua ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad cero).

Segunda ley o principio fundamental de la dinámica:

Es la que determina una relación proporcional entre fuerza y variación de la cantidad de movimiento o momento lineal de un cuerpo. Dicho de otra forma, la fuerza es directamente proporcional a la masa y a la aceleración de un cuerpo.

                                

Tercera ley o ley de acción y reacción:

Si un objeto A ejerce fuerza sobre un objeto B, entonces el objeto B debe ejercer una fuerza de igual magnitud en dirección opuesta sobre el objeto A.

Diagrama de fuerza:

Un diagrama de fuerzas es un esbozo muy simple en donde se identifican todas las fuerzas que actúan sobre un objeto.

Diagrama de cuerpo libre:

Un diagrama de cuerpo libre es una representación gráfica utilizada a menudo por físicos e ingenieros para analizar las fuerzas que actúan sobre un cuerpo libre. El diagrama de cuerpo libre es un elemental caso particular de un diagrama de fuerzas. En español, se utiliza muy a menudo la expresión diagrama de fuerzas como equivalente a diagrama de cuerpo libre, aunque lo correcto sería hablar de diagrama de fuerzas sobre un cuerpo libre o diagrama de fuerzas de sistema aislado. 

El diagrama de cuerpo libre del bloque sobre el plano inclinado es una aplicación sencilla de estos principios:

• Todos los soportes y estructuras se han sustituido por las fuerzas que ejercen sobre el bloque:

• mg: peso del bloque.
• N: Fuerza normal del plano sobre el bloque.
• F_f: fuerza de rozamiento entre el bloque y el plano.

• Los vectores muestran la dirección y el punto de aplicación.
• Se acompaña del sistema de referencia que se ha usado para describir los vectores.

Ecuaciones de fuerza:

Fuerza normal de un objeto en reposo

Conoce la ecuación para la fuerza normal de un objeto en reposo.  Al calcular la fuerza normal de un objeto que se encuentra en reposo sobre una superficie plana, usa la fórmula N = m * g

• En esta ecuación, N es la fuerza normal, m es la masa del objeto y g es la aceleración de la gravedad.
• Para un objeto colocado en una superficie plana, sin fuerzas externas sobre él, la fuerza normal es igual al peso del objeto. Para mantener el objeto quieto, la fuerza normal debe ser igual a la fuerza de gravedad sobre el objeto. La fuerza de gravedad sobre el objeto es el peso de este o, lo que es lo mismo, su masa multiplicada por la aceleración de la gravedad.

                                    

                                         
Multiplica la masa del objeto por la aceleración de la gravedad. Al hacerlo, obtendrás el peso del objeto, lo que en última instancia equivale a la fuerza normal del objeto mientras se encuentra en reposo.

• Ten en cuenta que la aceleración gravitacional sobre la superficie de la Tierra es una constante: g = 9,8 m/s2

                                     

Fuerza normal sobre una pendiente

                                        

Utiliza la ecuación correcta. Para calcular la fuerza normal de un objeto sobre una pendiente, necesitas usar la fórmula: N = m * g * cos(x)

• En esta ecuación, N es la fuerza normal, m es la masa del objeto, g es la aceleración de la gravedad y x es el ángulo de la pendiente.

Encuentra el coseno del ángulo. El coseno de un ángulo equivale al seno del ángulo complementario o al lado adyacente dividido entre la hipotenusa del triángulo formado por la pendiente.^[4]

• Este valor frecuentemente se obtiene con una calculadora, ya que el coseno de cualquier ángulo es una constante de dicho ángulo, pero también puedes obtenerlo manualmente.

                                           

Encuentra el peso del objeto. El peso de un objeto equivale a la masa del objeto multiplicada por la aceleración de la gravedad.

• Ten en cuenta que la aceleración gravitacional sobre la superficie de la Tierra es una constante: g = 9,8 m/s2

                                            

Multiplica ambos valores. Para encontrar la fuerza normal, necesitarás multiplicar el peso del objeto por el coseno del ángulo de la pendiente.

                                             

Fuerza normal y fricción

                                              

Conoce la ecuación básica para la fricción cinética. La fricción cinética o fricción de un objeto en movimiento es igual al coeficiente de fricción multiplicado por la fuerza normal de un objeto. En forma de ecuación, esto se ve así: f = μ * N

• En esta ecuación, f es la fricción, μ es el coeficiente de fricción y N es la fuerza normal del objeto.
• El “coeficiente de ficción” es el ratio entre la resistencia de la fricción a la fuerza normal, el cual es responsable de la presión entre ambas superficies.

                                           

Reacomoda la ecuación para aislar a la fuerza normal. Si tienes el valor de la fricción cinética de un objeto, así como el coeficiente de fricción de dicho objeto, puedes calcular la fuerza normal usando la fórmula: N = f / μ

• Ambos lados de la ecuación original se dividieron entre μ, así que se aisló la fuerza normal en un lado, colocando el coeficiente de fricción y la fricción cinética en el otro lado.

                                        

Divide la fricción cinética entre el coeficiente de fricción. Esto es esencialmente todo lo que necesitas para hallar el valor de la fuerza normal.

                                        

Elementos de la fuerza

Las fuerzas se representan mediante vectores que indican una dirección y un sentido, definido por una flecha en uno de sus extremos. Un vector tiene cuatro elementos: origen, dirección, sentido y magnitud.

• Punto de aplicación: Es el lugar donde se aplica la fuerza.
• Dirección: Es la línea sobre la cual actúa la fuerza. Puede ser vertical, horizontal o inclinada.
• Sentido: Indica hacia donde se aplica o dirige la fuerza. Se representa mediante una punta de flecha.
• Intensidad o magnitud: Es el tamaño del vector de acuerdo con la escala que se está utilizando. 

     

Maquinas simples

Se denominan máquinas a ciertos aparatos o dispositivos que se utilizan para transformar o compensar una fuerza resistente o levantar un peso en condiciones más favorables.

Algunas de estas maquinas simples son: 

La rueda

•Permite el desplazamiento del cuerpo al que está unido su eje disminuyendo las fuerzas de rozamiento.

•Las ruedas dentadas también transportan el movimiento y la fuerza o par de giro.

                           

                                   

Biela-Manivela

•La biela-manivela transforma el movimiento giratorio de la manivela en uno alternativo de la biela

                               

                                       

                                                                                                                                         Cuña

•Se forma por dos planos inclinados opuestos, las conocemos comúnmente como punta, su función principal es introducirse en una superficie.

•Ejemplo: Flecha, hacha, navaja, pica-hielo, cuchillo.

                            

                  

Palanca 

•Es una barra rígida con un punto de apoyo, a la que se aplica una fuerza y que, girando sobre el punto de apoyo, vence una resistencia. 

                              

                          

Polea

•La polea simple transforma el sentido de la fuerza; aplicando una fuerza descendente se consigue una fuerza ascendente.

•El valor de la fuerza aplicada y la resultante son iguales, pero de sentido opuesto.

•En un polipasto la proporción es distinta.

                                      

                                                 

Conclusiones de las maquinas:

•Todas las máquinas simples convierten una fuerza pequeña en una grande, o viceversa.

•Algunas convierten también la dirección de la fuerza.

• La relación entre la intensidad de la fuerza de entrada y la de salida es la ventaja mecánica. 

•A menudo, una herramienta consta de dos o más máquinas o artefactos simples, de modo que las máquinas simples se usan habitualmente en una cierta combinación, como componentes de máquinas más complejas. 

Consideraciones sobre centroides, centros de masa y centros de gravedad.

Centroide: En geometría, el centroide o baricentro de un objeto perteneciente a un espacio -dimensional es la intersección de todos los hiperplanos que dividen a en dos partes de igual n-volumen con respecto al hiperplano.

                                  

Centro de masa: El centro de masas de un sistema discreto o continuo es el punto geométrico que dinámicamente se comporta como si en él estuviera aplicada la resultante de las fuerzas externas al sistema.

       

Centro de gravedad: El centro de gravedad es el punto imaginario de aplicación de la resultante de todas las fuerzas de gravedad que actúan sobre las distintas porciones materiales de un cuerpo, de tal forma que el momento respecto a cualquier punto de esta resultante aplicada en el centro de gravedad es el mismo que el producido por los pesos de todas las masas materiales que constituyen dicho cuerpo.

                       

Leyes de Kepler

Las leyes de Kepler fueron enunciadas por Johannes Kepler para describir matemáticamente el movimiento de los planetas en sus órbitas alrededor del Sol. 

Aunque él no las describió así, en la actualidad se enuncian como sigue:

Primera ley (1609)

Todos los planetas se desplazan alrededor del Sol describiendo órbitas elípticas. El Sol se encuentra en uno de los focos de la elipse.

 

Segunda ley (1609)

El radio vector que une un planeta y el Sol recorre áreas iguales en tiempos iguales.

La ley de las áreas es equivalente a la constancia del momento angular, es decir, cuando el planeta está más alejado del Sol (afelio) su velocidad es menor que cuando está más cercano al Sol (perihelio).

El afelio y el perihelio son los dos únicos puntos de la órbita en los que el radio vector y la velocidad son perpendiculares. Por ello solo en esos 2 puntos el módulo del momento angular ${\displaystyle L}$ se puede calcular directamente como el producto de la masa del planeta por su velocidad y su distancia al centro del Sol.

${\displaystyle L=m\cdot r_{a}\cdot v_{a}=m\cdot r_{p}\cdot v_{p}\,}$

En cualquier otro punto de la órbita distinto al Afelio o al Perihelio el cálculo del momento angular es más complicado, pues como la velocidad no es perpendicular al radio vector, hay que utilizar el producto vectorial

${\displaystyle \mathbf {L} =m\cdot \mathbf {r} \times \mathbf {v} \,}$

      

Tercera ley (1618)

Para cualquier planeta, el cuadrado de su período orbital es directamente proporcional al cubo de la longitud del semieje mayor de su órbita elíptica.

${\displaystyle {\frac {T^{2}}{a^{3}}}=C={\text{constante}}}$

Donde, T  es el período orbital (tiempo que tarda en dar una vuelta alrededor del Sol), a  la distancia media del planeta con el Sol y C  la constante de proporcionalidad.

Estas leyes se aplican a otros cuerpos astronómicos que se encuentran en mutua influencia gravitatoria, como el sistema formado por la Tierra y el sol.

                   

Ley de la gravitación universal

La ley de gravitación universal es una ley física clásica que describe la interacción gravitatoria entre distintos cuerpos con masa. Fue formulada por Isaac Newton en su libro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, publicado en 1687, donde establece por primera vez una relación proporcional (deducida empíricamente de la observación) de la fuerza con que se atraen dos objetos con masa. Así, con todo esto resulta que la ley de la gravitación universal predice que "La fuerza ejercida entre dos cuerpos de masas  y separados una distancia es igual al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia", es decir:

donde es el módulo de la fuerza ejercida entre ambos cuerpos, y su dirección se encuentra en el eje que une ambos cuerpos. es la constante de gravitación universal.Es decir, cuanto más masivos sean los cuerpos y más cercanos se encuentren, con mayor fuerza se atraerán.

              

Trabajo (física)

En mecánica clásica, se dice que una fuerza realiza trabajo cuando hay un desplazamiento de su punto de aplicación. El trabajo de la fuerza sobre ese cuerpo será equivalente a la energía necesaria para desplazarlo​. Por consiguiente, se dice que una cierta masa tiene energía cuando esa masa tiene la capacidad de producir un trabajo; además, con esta afirmación se deduce que no hay trabajo sin energía.

                       

                       

              

                      

                           

                            

Energía

La energía se define como la capacidad de realizar trabajo, de producir movimiento, de generar cambio. Es inherente a todos los sistemas físicos, y la vida en todas sus formas se basa en la conversión, uso, almacenamiento y transferencia de energía.

                    

Energía Cinética

la energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada. 

                   

Energía Potencial

La energía potencial es la energía mecánica asociada a la localización de un cuerpo dentro de un campo de fuerza o a la existencia de un campo de fuerza en el interior de un cuerpo. La energía potencial de un cuerpo es una consecuencia de que el sistema de fuerzas que actúa sobre el mismo sea conservativo.