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UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS
Departamento de Física de la Atmósfera y del Océano
F...
2002 FÍSICA: INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA.
Universidad de Concepción
Registro Propiedad Intelectual Nº 127.438
I.S.B.N. 956-...
Física: Introducción a la Mecánica
Juan Inzunza B.
Licenciado en Física, Universidad de Concepción, Chile
Doctor en Cienci...
A mis hijos,
Claudia Alicia y
Juan Carlos
v
PROLOGO
El enseñar es para mí la mejor forma de aprender. En la enseñanza de la física
el objetivo es enseñar a pensar y...
vi
los últimos años en las aulas. Está diseñado para alumnos que realizan un pri-
mer curso de física universitaria de las...
vii
CONTENIDOS.
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA.
CAPÍTULO 2. MOVIMIENTO EN UNA DIMENSIÓN.
CAPÍTULO 3. MOVIMIENTO EN D...
viii
ix
INDICE.
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA. 13
1.1 Introducción 13
1.2 Definiciones 16
1.3 El método científico 18
1....
x
4.4 Segunda ley de Newton 111
4.5 Peso 112
4.6 Tercera ley de Newton 114
4.7 Fuerza de roce 121
4.8 Fuerza centrípeta 12...
xi
9.3 Energía potencial de la fuerza gravitacional 252
9.3.1 Velocidad de escape 255
9.4 Las leyes de Kepler 258
9.4.1 La...
xii
13.4.4 Solidificación 373
13.4.5 Sublimación 373
13.4.6 Deposición 373
13.4.7 Ebullición 373
13.5 Trabajo en procesos ...
Cap. 1 Introducción a la Física
13
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA
1.1 INTRODUCCION.
Los adelantos de la ciencia han ...
Cap. 1 Introducción a la Física
14
La física es mas que una rama de las ciencias físicas: es la más fundamental de
las cie...
Cap. 1 Introducción a la Física
15
La figura 1.1 tal vez la conozcan: es una imagen de nuestra Tierra, sobre la
cual harem...
Cap. 1 Introducción a la Física
16
humanidad está consumiendo los recursos de la Tierra mas rápidamente de lo
que esta es ...
Cap. 1 Introducción a la Física
17
mas bien los coordine dentro de un conjunto sistemático de conocimientos. La
validez de...
Cap. 1 Introducción a la Física
18
Modelo: Concepto introducido por los científicos para ayudarse a visualizar
posibles pr...
Cap. 1 Introducción a la Física
19
h. Si la Teoría se cumple y demuestra, a partir de ella se formulará una Ley,
que trata...
Cap. 1 Introducción a la Física
20
madamente confuso, por lo que no lo usaremos en este curso. El SI es el que
se usa mayo...
Cap. 1 Introducción a la Física
21
área = longitud por longitud, se mide en m2
aceleración = longitud/tiempo al cuadrado, ...
Cap. 1 Introducción a la Física
22
Tabla 1.3. Algunos valores numéricos de magnitudes físicas conocidas.
Masa (kg)
Sol
Hum...
Cap. 1 Introducción a la Física
23
Solución:
a) considerando que 6 es un valor mas cercano a 10 = 101
que a 1 = 100
, su
o...
Cap. 1 Introducción a la Física
24
1.5.2 Estimación.
Hacer una estimación es asignar un valor numérico razonable a una mag...
Cap. 1 Introducción a la Física
25
correcta. Cuando se hace el análisis dimensional, los términos no se operan
con el álge...
Cap. 1 Introducción a la Física
26
liendo del plano de la figura, eje y horizontal y eje z vertical. En este sistema
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Cap. 1 Introducción a la Física
27
22
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Figura 1.3. Coordenadas polares.
De paso aprovechemos de recorda...
Cap. 1 Introducción a la Física
28
Figura 1.4. Un triángulo rectángulo.
1.7 CONCEPTOS BÁSICOS DE VECTORES.
Las magnitudes ...
Cap. 1 Introducción a la Física
29
Figura 1.5. Representación de un vector.
Figura 1.6 Igualdad de vectores.
1.7.2 Multipl...
Cap. 1 Introducción a la Física
30
• Vector unitario: vector de magnitud igual a uno (1).
1.7.4 Adición de vectores y algu...
Cap. 1 Introducción a la Física
31
diculares que se cortan en un mismo punto, es decir en líneas paralelas a los
ejes de u...
Cap. 1 Introducción a la Física
32
1.7.7 Suma, resta y multiplicación por un escalar.
Se opera sobre las componentes escal...
Cap. 1 Introducción a la Física
33
1.7.9 Producto vectorial de vectores.
El producto vectorial entre vectores da como resu...
Cap. 1 Introducción a la Física
34
Figura 1.10. Ejemplo 6.
Posiciones:
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Cap. 1 Introducción a la Física
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Figura 1.1...
Cap. 1 Introducción a la Física
36
PROBLEMAS.
1.1 Escribir usando prefijos, en unidades del Sistema Internacional: longitu...
Cap. 1 Introducción a la Física
37
1.10 Demuestre que las ecuaciones cteghv)2/1(p 2
=++ ρρ , ax2vv 2
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Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
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CAPITULO 2. MOVIMIENTO EN UNA DIMENSION.
La cinemática es la rama de la mecánica qu...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
40
objeto puede ser considerado como partícula, independiente de su tamaño,
consideran...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
41
plazamiento es un vector, que puede ser positivo, negativo o cero, en el SI se
mide...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
42
2.2 VELOCIDAD Y ACELERACION.
Para describir el movimiento debemos definir otras var...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
43
Una interpretación geométrica de la velocidad media se puede ilustrar en un
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Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
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(2.4)
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Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
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(2.6)
Como vector, si la aceleración es positiva ...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
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nuye su valor hasta cero, que representa un movimiento con aceleración posi-
tiva, ...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
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Solución: Datos ∆t1 = 10 s, vi = 18 km/h = 5 m/s, ∆t2 = 5 s, vf = 25 m/s
a) ms
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m
...
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⇒−=−
==⇒=⇒= ∫ ∫∫
)( 00
00
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dt
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t
t
t
v
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)()( 00
ttavtv ...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
49
El valor de la pendiente de la tangente a la curva v(t) en el gráfico v/t es igual
...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
50
La ecuación 2.8 es la expresión que permite determinar el valor de la posición
de l...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
51
Solución:
De )tt(av)t(v oo −+= , se despeja
a
vv
tt 0
0
−
=− ,
reemplazando en 2
00...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
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2
00000 )tt(a
2
1
)tt(vx)t(x −+−+=
m25s)510(
s
m
2
2
1
00)10(x 22
2
=−⋅++=
Figura 2...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
53
)tt(avv 222 −+= en el tramo C
20t
v
a)20t(av0
3
2
2322
−
−=⇒−+=
Pero v2 = cte en el...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
54
Solución: Datos: toA = toB = 0, xoA = 0, xoB = 1838m
s
m
15
1
1000
3600
1
54 =××=
k...
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ststt 6.40,2.45
1
)1838)(5.0(41818
21
2
−==⇒
+±−
=
( ) m678)2.45(152.45x ==∴
b) ( )...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
56
muestra en la figura 2.11a, el desplazamiento es el área del rectángulo de la-
dos ...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
57
y k representa el valor de la pendiente de la recta en el gráfico aceleración ver-
...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
58
Figura 2.13 Ejemplo 5.
Solución. a) El desplazamiento es igual al área (A) bajo la ...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
59
st 50 <≤ : 22
o t2)t(xat
2
1
tv)t(x =⇒+=
st 105 <≤ :
( ) ( )
( )5t2050)t(x
5ta
2
1
...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
60
La aceleración de gravedad, que se denota por g
r
es un vector que apunta
hacia el ...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
61
Figura 2.15. Gráficos y/t, vy/t y a/t, para a = -g
Ejemplo 2.6: Tito lanza una pied...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
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c) Cuando pasa por el punto inicial y = 0 ⇒
s
g
v
tgtvt
tgtvgttvy
o
o
oo
4
10
)20)(...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
63
te superior del cuerpo, a su vez los órganos internos no se mantienen rígidos
en su...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
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PROBLEMAS.
2.1 Cuando Carlos viaja en una autopista, pasa por la marca de 260 km.
D...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
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2.9 Las ecuaciones de movimiento para dos partículas A y B que se mueven
en la mism...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
66
2.15 Un auto que se mueve con aceleración constante recorre en 6 s la distan-
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Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
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2.20 Un automóvil que se mueve a una velocidad constante de 30m/s pierde
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Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
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camión choca o no con el árbol cruzado en la carretera. R: si a 25.5
km/h.
2.25 Dos...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
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2.28 Un automovilista conduce por un camino recto a una velocidad constan-
te de 15...
Cap. 2 Movimiento en una dimensión.
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2.32 Cuando un semáforo cambia a verde, un auto arranca con una acelera-
ción const...
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  1. 1. UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS Departamento de Física de la Atmósfera y del Océano FÍSICA: INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA Proyecto de Docencia 02-16 Prof. Juan Inzunza B. Concepción 2002
  2. 2. 2002 FÍSICA: INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA. Universidad de Concepción Registro Propiedad Intelectual Nº 127.438 I.S.B.N. 956-8029-35-4 Primera Edición Agosto 2002 Impresión: Talleres Dirección de Docencia Edmundo Larenas 64-A Barrio Universitario Concepción IMPRESO EN CHILE / PRINTED IN CHILE
  3. 3. Física: Introducción a la Mecánica Juan Inzunza B. Licenciado en Física, Universidad de Concepción, Chile Doctor en Ciencias de la Atmósfera, Universidad de Buenos Aires, Argentina Profesor Asociado, Universidad de Concepción Barrio Universitario, Concepción, Chile Julio de 2002.
  4. 4. A mis hijos, Claudia Alicia y Juan Carlos
  5. 5. v PROLOGO El enseñar es para mí la mejor forma de aprender. En la enseñanza de la física el objetivo es enseñar a pensar y razonar, y para eso se debe estimular el aprendizaje por problemas, no sólo teóricos, sino que también prácticos. El aprendizaje por problemas debe tender a terminar con la clase magistral y fo- mentar el trabajo en grupo de los alumnos, con el propósito de que aprendan por sí solos. Por ello, este curso de Física estará disponible en formato pdf en la página web www2.udec.cl/~jinzunza/fisica, para que los alumnos puedan de forma más expedita obtener sus documentos para estudiar de manera autóno- ma. Lo ideal sería que la asistencia al aula fuera para aclarar las dudas y resol- ver los problemas que se le presentan durante su autoestudio. En el mundo globalizado, en la era de las comunicaciones, el estudiante debe estar preparado para aprender a través de su propio esfuerzo investigativo, so- bre la base de problemas que se le plantean y que el alumno debe resolver in- dividual o en grupo. Los alumnos pueden trabajar de forma autónoma y des- pués relacionarse con el profesor y el resto de sus compañeros, pero para ello deben realizar un trabajo previo de estudio y tener preguntas para plantearlas o respuestas para darlas a los otros compañeros que preguntan. Esto supone un cambio de mentalidad, un cambio cultural en los alumnos, donde él debe aprender a aprender, y eso hay que producirlo, no se produce solo. El alumno esta acostumbrado a una forma de trabajo en la cual viene a la Universidad a oír al profesor, donde el primero es el que sabe y el otro el que aprende, no a trabajar en forma autónoma. Hay que evitar que el alumno pase seis o más horas diarias, cinco días a la semana, escuchando, y luego se va a tratar de aprender a su casa; lo más sensato sería que dedicara un alto porcentaje de ese tiempo directamente a aprender. Para eso hay que tratar de centrar la actividad docente en el aprendizaje y no en la enseñanza, donde el profesor debiera pre- ocuparse de que los alumnos retengan lo expuesto y no solamente tratar de cumplir el programa de estudio. Este texto a nivel básico de Introducción a la Mecánica y Calor, se basa en la experiencia de varios años de docencia de pregrado y posgrado en el Depar- tamento de Geofísica de la Universidad de Concepción. En particular se trató de escribir las clases de la asignatura de Física, parte de Mecánica y Calor, la rama de la física que se ocupa de describir el movimiento y las transformacio- nes de energía producidas por variaciones de temperatura, realizadas durante
  6. 6. vi los últimos años en las aulas. Está diseñado para alumnos que realizan un pri- mer curso de física universitaria de las carreras de ciencias básicas, ingenierí- as, tecnológicas, pedagogías y en general para toda carrera que requiera un curso de este nivel. Se profundiza la descripción de algunos fenómenos en particular, con el uso de matemáticas de nivel intermedio, como cálculo dife- rencial e integral elemental, pero en todos los casos esta descripción se puede obviar si el alumno no tiene la formación en esas herramientas matemáticas, sin que ésta pierda su validez. La descripción de los fenómenos físicos se complementa con figuras esquemáticas, en un intento por dar la mayor clari- dad posible al problema. En el texto se ha pretendido hacer la descripción ne- cesaria, evitando escribir más de lo que se requiere, para no cansar al alumno con lectura de párrafos extensos. Cada tema tratado se complementa con ejemplos seleccionados, resueltos de- talladamente, que tienen como objetivo reforzar la comprensión de la teoría. Al final de cada capítulo se plantean un número considerado suficiente de problemas, muchos de ellos originales preparados por el autor, especialmente para hacer notar la aplicación de los contenidos teóricos a situaciones reales en diferentes áreas de la física. La dificultad de su resolución se puede considerar en general de nivel apropiado a un primer curso de Física universitaria, aun- que siempre se presenta alguno de elevada dificultad. Se dan los resultados de un número importante de problemas y aquellos que no tienen respuesta es porque su resultado va a depender de los valores que el alumno asigne a las variables o porque su resolución es similar a otro problema que ya tiene res- puesta, por lo que el alumno se puede asegurar que su resultado ha sido obte- nido por un procedimiento correcto. Los resultados se dan al final de cada problema, evitando así el engorroso proceso de ir a las últimas páginas del tex- to a ver la respuesta, generalmente del problema impar. Juan C. Inzunza Concepción, Chile Diciembre de 2006.
  7. 7. vii CONTENIDOS. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA. CAPÍTULO 2. MOVIMIENTO EN UNA DIMENSIÓN. CAPÍTULO 3. MOVIMIENTO EN DOS DIMENSIONES. CAPÍTULO 4. DINAMICA DE LA PARTICULA. CAPÍTULO 5. TRABAJO Y ENERGIA. CAPÍTULO 6. TORQUE Y EQUILIBRIO DE CUERPO RIGIDO. CAPÍTULO 7. MOMENTO LINEAL Y CHOQUES. CAPÍTULO 8. DINAMICA DE ROTACIÓN. CAPÍTULO 9. LEY DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL. CAPÍTULO 10. MECANICA ELEMENTAL DE FLUIDOS. CAPÍTULO 11. MOVIMIENTO OSCILATORIO. CAPÍTULO 12. TEMPERATURA, DILATACION TERMICA Y GASES. CAPÍTULO 13. CALOR Y LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMI- CA. CAPÍTULO 14. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. CAPÍTULO 15. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Y ENTRO- PIA.
  8. 8. viii
  9. 9. ix INDICE. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA. 13 1.1 Introducción 13 1.2 Definiciones 16 1.3 El método científico 18 1.4 Sistemas de magnitudes y unidades 19 1.5 Múltiplos, submúltiplos y prefijos 21 1.5.1 Orden de magnitud 22 1.5.2 Estimación 24 1.5.3 Transformación de unidades 24 1.5.4 Análisis dimensional 24 1.6 Sistemas de referencia 25 1.6.1 Coordenadas cartesianas o rectangulares 25 1.6.2 Coordenadas polares 26 1.7 Conceptos básicos de vectores 28 1.7.1 Igualdad de vectores 28 1.7.2 Multiplicación de un vector por un escalar 29 1.7.3 Vectores especiales 29 1.7.4 Adición de vectores y algunas de sus propiedades 30 1.7.5 Representación de los vectores en coordenadas cartesianas 30 1.7.6 Igualdad de vectores en componentes 31 1.7.7 Suma, resta y multiplicación por un escalar 32 1.7.8 Producto escalar entre vectores 32 1.7.9 Producto vectorial de vectores 33 Problemas 36 CAPÍTULO 2. MOVIMIENTO EN UNA DIMENSION. 39 2.1 Definiciones 39 2.2 Velocidad y aceleración 42 2.2.1 Velocidad media 42 2.2.2 Velocidad instantánea 43 2.2.3 Aceleración media 44 2.2.4 Aceleración instantánea 44 2.3 Descripción del movimiento en una dimensión con aceleración constante 47 2.4 Cálculo gráfico de ∆x y ∆v 55 2.5 Cuerpos en caída libre 59 2.5.1 Efectos de g en las personas 62 Problemas 64 CAPÍTULO 3. MOVIMIENTO EN DOS DIMENSIONES. 75 3.1 Descripción del movimiento en dos dimensiones 75 3.2 Movimiento de proyectiles 77 3.3 Movimiento circunferencial 84 3.4 Velocidad y aceleración angular 89 3.4.1 Cinemática de rotación 90 3.4.2 Relación entre las variables angulares y lineales. 91 3.5 Movimiento relativo 94 Problemas 99 CAPÍTULO 4. DINAMICA DE LA PARTICULA. 105 4.1 Introducción 105 4.2 Primera ley de Newton 109 4.3 Concepto de masa 110
  10. 10. x 4.4 Segunda ley de Newton 111 4.5 Peso 112 4.6 Tercera ley de Newton 114 4.7 Fuerza de roce 121 4.8 Fuerza centrípeta 126 4.8.1 La descripción de peralte 128 4.9 Breve descripción de aplicaciones de algunas fuerzas en la medicina 131 4.9.1 Fuerza peso 131 4.9.2 Fuerza muscular 131 4.9.3 Fuerza de roce 132 Problemas 135 CAPÍTULO 5. TRABAJO Y ENERGIA. 143 5.1 Trabajo realizado por una fuerza constante 143 5.2 Trabajo realizado por una fuerza variable 146 5.3 Energía cinética 149 5.4 Potencia 150 5.5 Fuerzas conservativas y no conservativas 153 5.6 Energía potencial 154 5.7 Conservación de la energía mecánica 157 5.8 Energía y la máquina humana 160 5.8.1 ¿Cómo camina la máquina humana? 162 5.8.2 Articulaciones artificiales 163 Problemas 164 CAPÍTULO 6. TORQUE Y EQUILIBRIO DE CUERPO RIGIDO. 171 6.1 Torque de una fuerza 171 6.2 Equilibrio de un cuerpo rígido 176 6.2.1 Centro de gravedad 177 6.2.2 Centro de masa 177 6.3 Aplicaciones del torque al cuerpo humano 182 Problemas 186 CAPÍTULO 7. MOMENTO LINEAL Y CHOQUES. 193 7.1 Momento lineal 193 7.2 Impulso 194 7.3 Conservación del momento lineal 199 7.4 Choques 201 7.4.1 Ejemplos de choques en una dimensión 202 7.5 Choques en dos dimensiones 205 Problemas 209 CAPÍTULO 8. DINAMICA DE ROTACIÓN. 215 8.1 Energía cinética de rotación 215 8.2 Relación entre torque y aceleración angular 217 8.3 Trabajo, energía y potencia en el movimiento de rotación 222 8.4 Movimiento de rodadura de un cuerpo rígido 226 8.5 Momento angular de una partícula 229 8.6 Rotación de un cuerpo rígido en torno a un eje fijo 231 8.7 Conservación del momento angular 235 Problemas 239 CAPÍTULO 9. LEY DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL. 247 9.1 La Ley y la fuerza gravitacional 247 9.2 Fuerza gravitacional y peso 248
  11. 11. xi 9.3 Energía potencial de la fuerza gravitacional 252 9.3.1 Velocidad de escape 255 9.4 Las leyes de Kepler 258 9.4.1 La tercera ley de Kepler 259 9.4.2 La segunda ley de Kepler y la conservación del momento angular 261 9.5 El campo gravitacional 264 Problemas 266 CAPÍTULO 10. NOCIONES DE MECANICA DE FLUIDOS. 271 10.1 Estructura de la materia 271 10.1.1 Estados de la materia 273 10.1.2 Plasma 273 10.1.3 Fluido 274 10.2 Densidad 274 10.3 Presión 276 10.4 La ecuación hidrostática 277 10.4.1 El barómetro 280 10.5 Ley de Pascal 281 10.6 Principio de Arquímedes 282 10.7 Nociones elementales de dinámica de fluidos 285 10.8 Ecuación de continuidad 285 10.9 Ecuación de Bernoulli 288 Problemas 294 CAPÍTULO 11. MOVIMIENTO OSCILATORIO. 299 11.1 Movimiento armónico simple 299 11.2 Masa sujeta a un resorte 305 11.3 Energía en el movimiento armónico simple 308 11.4 El péndulo 310 11.4.1 Péndulo simple 310 11.4.2 Péndulo físico 313 11.4.3 Péndulo de torsión 316 11.5 Oscilaciones amortiguadas 317 11.6 Oscilaciones forzadas 319 Problemas 322 CAPÍTULO 12. TEMPERATURA, DILATACION TERMICA Y GASES 329 12.1 Temperatura y ley cero de la termodinámica. 329 12.2 Termómetros y escalas de temperatura 330 12.3 Termómetro de gas y escala Kelvin 332 12.4 Escalas de temperatura Celsius y Fahrenheit 337 12.5 Dilatación térmica de sólidos y líquidos 338 12.6 Descripción macroscópica de un gas ideal 342 12.7 Teoría cinética de los gases 346 12.8 Interpretación molecular de la temperatura 350 Problemas 354 CAPÍTULO 13. CALOR Y LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA 363 13.1 Definiciones 363 13.2 Calor 364 13.3 Capacidad calórica y calor específico 366 13.4 Calor latente y cambios de estado 371 13.4.1 Vaporización o evaporación 371 13.4.2 Condensación 373 13.4.3 Fusión o derretimiento 373
  12. 12. xii 13.4.4 Solidificación 373 13.4.5 Sublimación 373 13.4.6 Deposición 373 13.4.7 Ebullición 373 13.5 Trabajo en procesos termodinámicos 378 13.6 Primera ley de la termodinámica 383 13.6.1 Casos particulares 384 13.7 Procesos termodinámicos 385 13.7.1 Proceso isobárico 385 13.7.2 Proceso isovolumétrico 386 13.7.3 Proceso adiabático 386 13.7.4 Proceso isotérmico 387 13.8 Capacidad calórica de un gas ideal 389 13.9 Proceso adiabático de un gas ideal 396 Problemas 399 CAPÍTULO 14. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR 407 14.1 Calor y temperatura 407 14.2 Conducción de calor 408 14.3 Convección 412 14.4 Radiación 414 14.4.1 Espectro de radiación 415 14.4.2 Penetración de la radiación electromagnética 417 14.4.3 Leyes de radiación 419 Problemas 424 CAPÍTULO 15. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Y ENTROPIA. 429 15.1 Máquinas térmicas 430 15.1.1 Máquina térmica 430 15.1.2 Eficiencia térmica 431 15.2 Segunda Ley de la Termodinámica 431 15.2.1 Forma de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica 432 15.2.2 Enunciado de Clausius de la segunda ley de la termodinámica 433 15.3 Procesos reversibles e irreversibles 434 15.4 Máquina de Carnot 435 15.4.1 Eficiencia de una máquina de Carnot 439 15.5 Escala de temperatura absoluta. 441 15.6 Bombas de calor y refrigeradores 441 15.7 Entropía 443 15.7.1 Entropía en un proceso reversible de un gas ideal 446 15.7.2 Entropía en la conducción de calor 447 15.7.3 Entropía en una expansión libre 448 15.7.4 Entropía en la transferencia de calor irreversible 450 Problemas 453 APENDICES 461 A. Álgebra 461 B. Geometría 463 C. Trigonometría 465 D. Derivadas e integrales 468 E. Datos comunes en el sistema solar y terrestre 470 F. Factores de conversión de unidades de medida 471 G. Letras Griegas 473
  13. 13. Cap. 1 Introducción a la Física 13 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA 1.1 INTRODUCCION. Los adelantos de la ciencia han provocado muchos cambios en el mundo. Por ejemplo, desde Aristóteles en el 350 AC y hasta hace 500 años se creía que la Tierra era plana y que estaba en el centro del universo, hace 70 años no se co- nocía la televisión, los aviones jet ni la forma de prevenir las picaduras denta- les, hace pocos años se descubrió la clonación de seres vivos, recientemente se descifró el código del genoma humano (dicen que Dios esta hecho un diablo por esto). La ciencia no es nueva, data de la prehistoria. El ser humano ha es- tado sobre la Tierra desde hace 100 mil años y desde entonces ha empezado a hacer ciencia. Por ejemplo en el comienzo se descubrieron las primeras regu- laridades y relaciones en la naturaleza. Una de las regularidades era la forma de los patrones de las estrellas que aparecían en el cielo nocturno. Otra eviden- te era el ciclo del clima a lo largo del año, distinguiéndose claramente el co- mienzo de la temporada de lluvias o la de calor. La gente aprendió a usar estos ciclos para hacer predicciones y surgieron los primeros pronósticos del tiem- po. De este modo fueron aprendiendo más y más acerca del comportamiento de la naturaleza. Todos estos conocimientos forman parte de la ciencia, pero la parte principal esta formada por los métodos que se usan para adquirir esos conocimientos. La ciencia es una actividad humana, formada por un conjunto de conocimien- tos. La ciencia es el equivalente contemporáneo de lo que se llamaba filosofía natural. La filosofía natural era el estudio de las preguntas acerca de la natura- leza que aún no tenían respuesta. A medida que se iban encontrando esas res- puestas, pasaban a formar parte de lo que hoy llamamos ciencia. La ciencia hizo sus mayores progresos en el siglo XVI, cuando se descubrió que era po- sible describir la naturaleza por medio de las matemáticas. Cuando se expre- san las ideas de la ciencia en términos matemáticos no hay ambigüedad, es mas fácil verificarlos o refutarlos por medio del experimento. La ciencia con- temporánea se divide en el estudio de los seres vivos y en el estudio de los ob- jetos sin vida, es decir, en ciencias de la vida y en ciencias físicas. Las ciencias de la vida se dividen en áreas como la biología, zoología y la botánica. Las ciencias físicas se dividen en áreas como la física, geología, astronomía y química.
  14. 14. Cap. 1 Introducción a la Física 14 La física es mas que una rama de las ciencias físicas: es la más fundamental de las ciencias. Estudia la naturaleza de realidades básicas como el movimiento, las fuerzas, energía, materia, calor, sonido, luz y el interior de los átomos. La química estudia la manera en que esta integrada la materia, la manera en que los átomos se combinan para formar moléculas y la manera en que las molécu- las se combinan para formar los diversos tipos de materia que nos rodea. La biología es aún mas compleja, pues trata de la materia viva. Así, tras la biolo- gía esta la química y tras la química esta la física. Las ideas de la física se ex- tienden a estas ciencias mas complicadas, por eso la física es la mas funda- mental de las ciencias. Podemos entender mejor la ciencia en general si antes entendemos algo de física ¡es lo que vamos a prender en este curso! El entender la naturaleza se busca por diferentes formas: la ciencia, el arte, la religión, cuyas orígenes datan de miles de años. Estas formas son distintas, pero sus dominios se traslapan. La ciencia investiga los fenómenos naturales y el arte es la creación de los objetos o eventos que estimulan los sentidos, pero ambas son comparables debido a que son esfuerzos que muestran como son las cosas y cuales son posibles. Por otra parte, los objetivos de la ciencia y la religión son diferentes, ya que esta última se ocupa del propósito de la natura- leza. Las creencias y ceremonias religiosas generan convivencia humana, sin ocuparse directamente de los métodos de la ciencia. En este sentido son dife- rentes, como las manzanas con las peras, pero no se contradicen, son comple- mentarias, de manera que no es necesario elegir entre ambas, se pueden adop- tar ambas, entendiendo que tratan aspectos distintos de la experiencia humana. Una persona realmente culta posee conocimientos tanto de la religión, como del arte y de la ciencia. En este capítulo se da una breve explicación de algunas definiciones de con- ceptos usados en el curso. Se hace una descripción de los sistemas de unidades de medida, de las magnitudes físicas fundamentales y derivadas, se definen los múltiplos, submúltiplos y los prefijos. Se hace notar la necesidad de expresar los valores numéricos de las magnitudes en ciencias en notación científica, se explica como expresar los valores numéricos dando sólo su orden de magnitud o haciendo una estimación de su valor. Se dan reglas de análisis dimensional, lo que proporciona un método para determinar la forma funcional de las leyes físicas y permite verificar si está bien planteada. Se definen los sistemas de referencias y de coordenadas y finalmente se hace un breve repaso del álgebra vectorial y se presentan algunos ejemplos básicos.
  15. 15. Cap. 1 Introducción a la Física 15 La figura 1.1 tal vez la conozcan: es una imagen de nuestra Tierra, sobre la cual haremos la mayoría de las aplicaciones de este curso. Los colores sobre los océanos representan los valores de la temperatura de la superficie del mar, siendo mayores los tonos en rojo y menores los tonos en azul. En la imagen se observa claramente la presencia del fenómeno de El Niño en el Pacifico sur. Se representa también un esquema de las nubes en la atmósfera con tonos de color gris claro. En Chile se observa un frente ubicado entre la novena y dé- cima regiones. Figura 1.1. Imagen de satélite modificada de la Tierra. Este es nuestro planeta, al que le estamos dando un muy mal trato, con todos los desperdicios y contaminantes que estamos arrojando a los ríos, lagos, océanos, tierra y atmósfera. No olvidemos que los recursos de nuestra Tierra son finitos y no renovables, por lo que a nosotros nos corresponde cuidar estos recursos, para dejarlos de la mejor forma a las futuras generaciones, que tam- bién querrán vivir en un ambiente limpio. Las mediciones ya indican que la
  16. 16. Cap. 1 Introducción a la Física 16 humanidad está consumiendo los recursos de la Tierra mas rápidamente de lo que esta es capaz de renovarlos, por lo que es clara la tendencia a que los re- cursos naturales se agoten. Lo peor de todo es que la distribución de los recur- sos no es equitativa, ya que una minoría de empresas y países mas ricos se en- riquecen mas y la mayor parte de la población mundial se empobrece mas, in- cluyendo un importante porcentaje de la población que nada tiene. Lo más que podemos hacer nosotros como profesionales y habitantes de la Tierra, es crear conciencia para no seguir dañando nuestro ambiente, que nos permite la vida. Evitemos que el ser humano evolucione rápidamente a una nueva especie, que se podría llamar Homo Furioso, que al final de este siglo se pregunte ‘¿en que pensarían esos prehistóricos Homo Sapiens de principios de siglo que nos de- jaron el planeta en estas lamentables condiciones?’ 1.2 DEFINICIONES. En esta sección se dan las definiciones de algunos términos usados en ciencias y de temas relacionados, que usaremos durante el curso, sin pretender profun- dizar en el contenido teórico del concepto definido. Física: Es una ciencia fundamental que estudia y describe el comportamiento de los fenómenos naturales que ocurren en nuestro universo. Es una ciencia basada en observaciones experimentales y en mediciones. Su objetivo es des- arrollar teorías físicas basadas en leyes fundamentales, que permitan describir el mayor número posible de fenómenos naturales con el menor número posi- ble de leyes físicas. Estas leyes físicas se expresan en lenguaje matemático, por lo que para entender sin inconvenientes el tratamiento del formalismo teó- rico de los fenómenos físicos se debe tener una apropiada formación en mate- máticas, en este curso basta un nivel básico de matemáticas. Teoría científica: Síntesis de una gran cantidad de información que abarca diversas hipótesis probadas y verificables de ciertos aspectos del mundo natu- ral. Ningún experimento resulta aceptable a menos que sea reproducible, es decir que produzca un resultado idéntico independientemente de cuando, don- de y por quien sea realizado. Los resultados de los distintos experimentos se reúnen para formar una teoría. Una teoría es la síntesis de todas las observa- ciones realizadas en los experimentos, que debería hacer posible predecir el resultado de nuevos experimentos antes de que se realicen. Pero no se debe esperar que una teoría explique ciertos fenómenos de una vez por todas, sino
  17. 17. Cap. 1 Introducción a la Física 17 mas bien los coordine dentro de un conjunto sistemático de conocimientos. La validez de una teoría puede probarse únicamente con el experimento. Una teoría científica no debe contener elemento alguno metafísico o mitológi- co, se deben eliminar los mitos y prejuicios. Hoy en día se debe tener especial cuidado, puesto que nuestro mitos contemporáneos gustan de ataviarse con ropajes científicos, pretendiendo con ello alcanzar gran respetabilidad. Los charlatanes siempre buscan mencionar el nombre de algún gran científico en un intento por hacer creíbles sus charlatanerías. Mecánica. Es una rama de la física. Su objetivo es describir (con la cinemáti- ca) y explicar (con la dinámica) el movimiento de los cuerpos. Cinemática. Describe el movimiento de los cuerpos sin preocuparse de las causas que lo producen. Dinámica. Describe el movimiento de los cuerpos considerando las causas que lo producen, y las causas del movimiento son las fuerzas. Hipótesis: Suposición bien fundamentada, considerada como un hecho cuan- do se demuestra experimentalmente. Hecho: Acuerdo entre observadores competentes sobre una serie de observa- ciones de un fenómeno particular. Ley: Comprobación de una hipótesis sin ninguna contradicción. Una ley física se considera como tal cuando todos los experimentos obedecen esa ley, si en algún caso no se cumple, deja de ser ley física. ¿Son las leyes terrestres váli- das en todo el Universo? Hay que usarlas y después evaluar su resultado. No se debe pretender buscar una nueva ley para explicar algún fenómeno en el cual las leyes ya existentes no parecen encajar satisfactoriamente, porque esto conduce al caos lógico. Aunque se debe estar dispuesto a aceptar nuevas leyes naturales si su adopción demuestra ser necesaria. Ciencia: Método para dar respuestas a preguntas teóricas. La ciencia descubre hechos y formula teorías. Tecnología: Método para resolver problemas prácticos, usa técnicas y proce- dimientos para aplicar los descubrimientos de la ciencia.
  18. 18. Cap. 1 Introducción a la Física 18 Modelo: Concepto introducido por los científicos para ayudarse a visualizar posibles procesos dentro de un sistema físico. Un modelo se usa para repre- sentar la realidad física y debe tener en cuenta dos aspectos conflictivos entre sí: a) tiene que ser lo bastante simple para como para ser elaborado con méto- dos matemáticamente rigurosos, b) debe ser realista para que los resultados obtenidos sean aplicables al problema considerado. La sencillez del modelo, su belleza matemática, es incompatible con la fidelidad al problema real. Lo bello raramente es fiel y lo fiel raramente es bello. Matemáticas: Es el lenguaje de las ciencias, es lo que establece una conexión entre la teoría y el experimento. Las leyes Físicas se expresan en lenguaje ma- temático, en general de nivel muy avanzado. Religión: Se ocupa del propósito de la naturaleza, no se preocupa por usar los métodos de la ciencia, tiene que ver con la Fe y la adoración de un ser supre- mo, que es Dios. Ciencia y religión no son contradictorias, son complementa- rias. No es necesario elegir entre ambas, se pueden adoptar las dos. 1.3 EL MÉTODO CIENTÍFICO. El método científico es un método efectivo para adquirir, organizar y aplicar nuevos conocimientos. Su principal fundador fue Galileo (1564-1642). Se ba- sa en la formulación de hipótesis y en la recopilación de pruebas objetivas que traten de probar la veracidad de tales hipótesis establecidas previamente. El método científico puede dividirse a grandes rasgos en varios pasos: a. Observar el medio natural. b. Hacerse una pregunta sobre el comportamiento del medio. c. Formular una hipótesis y derivar de ella predicciones que puedan ser de- mostradas. d. Planear un experimento que pueda verificar esa hipótesis. e. Analizar los datos obtenidos de ese experimento. Si los datos coinciden con las derivaciones de la hipótesis, se podrá decir que ésta funciona y es válida en ese contexto. f. A partir de esa hipótesis demostrada, elaborar una Teoría. g. Nuevamente acudir a la Naturaleza para contrastarla.
  19. 19. Cap. 1 Introducción a la Física 19 h. Si la Teoría se cumple y demuestra, a partir de ella se formulará una Ley, que tratará de describir el fenómeno. Antes de Galileo, la mayor parte de los experimentos no seguían este orden de pensamiento, sino que se basaban en la observación del medio y emisión de teorías, sin mayor comprobación posterior de éstas. La novedad que trajo con- sigo el método científico fue que se trabajaba con hipótesis que debían ser demostradas. Todo ello supuso un gran avance para la física como ciencia, puesto que se empezó a observar la naturaleza y a afirmar expresiones, hoy en día tan comunes como “parece que va a llover”. Este método no siempre ha sido la clave de los descubrimientos, en muchos casos gran parte del progreso de la ciencia se ha debido a resultados obtenidos por error o por casualidad. 1.4 SISTEMAS DE MAGNITUDES Y UNIDADES. Medir una magnitud consiste en compararla con una cantidad arbitraria fija de la magnitud. Una medición se expresa con un número seguida de un símbolo de la unidad usada. Existen medidas directas e indirectas, por ejemplo el largo y el ancho de una sala son medidas directas, pero la superficie de la sala es una medida indirecta. Gran parte de la Física tiene que ver con la medida de cantidades físicas tales como distancia, tiempo, volumen, masa, temperatura, etc. Las leyes Físicas se expresan en términos de cantidades básicas que re- quieren una definición clara, llamadas magnitudes físicas fundamentales. En mecánica las magnitudes físicas fundamentales son tres: longitud, tiempo y masa. Se llaman magnitudes físicas fundamentales porque están definidas en forma independiente de cualquier otra magnitud física. Para que sean útiles deben ser invariables y reproducibles y se debe definir una unidad de medida única para la magnitud física, llamada patrón de medi- da. El Sistema Internacional (SI) de unidades determina el conjunto de patro- nes de medida. En este sistema, las unidades de medida de las magnitudes fí- sicas fundamentales en Mecánica, son las que se dan en la tabla 1.1. Este se conoce también como el sistema MKS (abreviaturas de metro, kilogramo y segundo). También existe el sistema CGS cuyas unidades de medida son el centímetro, gramo y segundo, y el sistema inglés de ingeniería, que es extre-
  20. 20. Cap. 1 Introducción a la Física 20 madamente confuso, por lo que no lo usaremos en este curso. El SI es el que se usa mayoritariamente en todas las áreas de las ciencias. La definición operacional actual de las magnitudes físicas fundamentales se da a continuación. Tabla 1.1. Unidades de medida de las magnitudes físicas fundamentales en mecánica. Magnitud Física Unidad de medida Símbolo Longitud Metro m Tiempo Segundo s Masa Kilogramo kg Longitud: Se han desarrollado muchos sistemas de medición de longitud, pero se han abandonado por razones de precisión. Desde 1983, la unidad de longi- tud, el metro, se define como la distancia recorrida por la luz en el vacío du- rante un tiempo de 1/299792458 segundos. De paso esta definición establece que la rapidez de la luz en el vacío es de 299 792 458 m/s. Tiempo: En 1967 se definió el segundo como unidad de tiempo igual a 9 192 631 770 periodos de la radiación de átomos de cesio 133. Con un reloj atómi- co de cesio, se puede medir la frecuencia de su radiación con una precisión de una parte en 1012 , lo que equivale a una incertidumbre menor que un segundo cada 30000 años. Masa: Desde 1987 se considera como unidad de masa, el kilogramo, que se define como la masa de una aleación de platino e iridio que se conserva en el Laboratorio Internacional de Pesas y Medidas en Sevres, cerca de París, Fran- cia. Este patrón es confiable porque dicha aleación es muy estable. Las otras magnitudes fundamentales de la Física, que con las anteriores suman siete en total, están indicadas en la tabla 1.2. En ciencias se usan muchas otras magnitudes físicas, que se obtienen como una combinación de las magnitudes físicas fundamentales. Se llaman magni- tudes físicas derivadas, porque se derivan de las magnitudes físicas funda- mentales. Por ejemplo:
  21. 21. Cap. 1 Introducción a la Física 21 área = longitud por longitud, se mide en m2 aceleración = longitud/tiempo al cuadrado, se mide en m/s2 fuerza = masa por aceleración, se mide en Newton, N = kg m/s2 densidad = masa/volumen, se mide en kg/m3 , etc. Tabla 1.2. Unidades de medida de las magnitudes físicas fundamentales. Magnitud Física Unidad de medida Símbolo Temperatura Kelvin K Corriente eléctrica Ampere A Intensidad luminosa Candela Cd Cantidad de sustancia Mol mol 1.5 MULTIPLOS, SUBMULTIPLOS Y PREFIJOS. Teniendo en cuenta que la Física estudia el comportamiento del universo, los valores numéricos de las magnitudes físicas varían en un rango muy amplio, desde cantidades muy pequeñas a muy grandes. Por ejemplo, para comprender el origen del Universo, a los astrofísicos y cosmólogos les preocupa actual- mente saber que paso entre el Big Bang y el minúsculo instante ¡10-43 s!, o como determinar bien la edad del Universo cuyas últimas mediciones dan un valor de 1.45x1010 años, con una incertidumbre de un par de miles de millones de años. La Tierra tiene una edad de 4600 millones de años. Especialistas han estudiado la cronología de la Biblia para calcular cuanto tiempo ha pasado desde los días del Edén, sumando la edad de Adán y sus descendientes. En 1650 el arzobispo irlandés James Ussher propuso que Dios creo la Tierra el 22 de octubre del año 4004 antes de nuestra era, valor que no concuerda con las mediciones. Los valores numéricos de la física pueden ser muy complicados de leer en su forma tradicional, por lo que generalmente se expresan en potencias de 10, que es la notación científica. Ejemplos de algunos valores comunes se mues- tran en la tabla 1.3.
  22. 22. Cap. 1 Introducción a la Física 22 Tabla 1.3. Algunos valores numéricos de magnitudes físicas conocidas. Masa (kg) Sol Humano Electrón 2 x 1030 70 9.1 x 10-31 Longitud (m) Distancia Tierra - Sol Cancha de fútbol Diámetro núcleo atómico 1.5 x 1011 90 10-14 Tiempo (s) Edad de la Tierra Edad de estudiante UdeC Duración choque nuclear 1.5 x 1017 5 x 108 10-22 Si el exponente de la potencia de 10 es positivo (o negativo) el valor de la magnitud física es un múltiplo (o submúltiplo). Para medir magnitudes muy grandes o muy pequeñas se expresan los valores en potencias de 10 y se usan los prefijos del SI que es el nombre que se le da a la potencia de 10. Existen algunas unidades de medición que tienen nombres especiales, como por ejem- plo el año luz que es la distancia que recorre la luz en un año, igual a 9.45 x 1015 m, o el Angstrom que es igual a 10-10 m. En la tabla 1.4 se dan los nom- bres de los prefijos del Sistema Internacional. 1.5.1 Orden de magnitud. El orden de magnitud es la potencia de 10 más cercana al valor verdadero de una magnitud física conocida cuyo valor numérico se conoce. Para indicarla se usa el símbolo vírgula, ~. Cuando se compara entre magnitudes físicas simila- res, se dice que una magnitud física difiere de la otra en un orden de magnitud, cuando es mayor o menor en un factor de 10. Ejemplo 1.1. El orden de magnitud de 1 es cero ó 100 , el orden de magnitud de 10 es uno ó 101 , el orden de magnitud de 100 es dos ó 102 , etc. Ejemplo 1.2. a) Determinar el orden de magnitud de la masa de la Tierra, cuyo valor es aproximadamente 6 x 1024 kg. b) Si la masa del Sol ∼ 1030 kg, ¿en cuantos órdenes de magnitud difiere de la masa de la Tierra?
  23. 23. Cap. 1 Introducción a la Física 23 Solución: a) considerando que 6 es un valor mas cercano a 10 = 101 que a 1 = 100 , su orden de magnitud es 6 ∼ 101 , por lo tanto el orden de magnitud de la ma- sa de la Tierra es 6 x 1024 ∼ 101 x1024 ∼ 1025 kg ∼ 10 Ykg ó del orden de 25. b) Si la masa del Sol ∼ 1030 kg, ¿en cuantos órdenes de magnitud difiere de la masa de la Tierra? Solución: 5 25 30 10 10 10 Tierralademasa Soldelmasa == Por lo tanto la masa del Sol es 5 órdenes de magnitud mayor (cien mil veces mas grande) que la masa de la Tierra. Tabla 1.4 Prefijos del Sistema Internacional. Potencia 10x Prefijo Símbolo -24 yocto y -21 zepto z -18 atto. a -15 femto f -12 pico p -9 nano n -6 micro µ -3 mili m -2 centi c -1 deci d 1 deca da 2 hecto h 3 kilo k 6 mega M 9 giga G 12 tera T 15 peta P 18 exa E 21 zeta Z 24 yota Y
  24. 24. Cap. 1 Introducción a la Física 24 1.5.2 Estimación. Hacer una estimación es asignar un valor numérico razonable a una magnitud Física conocida, cuyo valor verdadero, en el momento de usar esa magnitud, no se conoce. Ejemplo 1.3. Estimar la edad de los alumnos del curso de Física I. Solución: Considerando que los alumnos ingresan a la universidad a la edad aproximada de 18 años, que el curso de Física I lo realizan en el segundo se- mestre, que algunos alumnos ingresan a la carrera tiempo después de egresar de la enseñanza media y que es probable que el curso de física no lo estén cursando en el semestre que corresponde, se puede considerar que la edad de los alumnos del curso de Física I varia entre 18 y 22 años, por lo que se pue- de estimar como edad de cualquier alumno en ∼ 20 años. Su orden de magni- tud es ~ 10 años. 1.5.3 Transformación de unidades. Muchos cálculos en Física requieren convertir unidades de un sistema a otro. Las unidades pueden convertirse sustituyéndolas por cantidades equivalentes. En toda respuesta numérica de los problemas siempre debe escribirse las uni- dades en el resultado final. Ejemplo 1.4. Transformar 18 km/hora a m/s. Solución: Se sabe que 1h = 3600 s y que 1 km = 1000 m, entonces: s m km m s hr hr km 5 1 1000 3600 1 18 =×× 1.5.4 Análisis dimensional. Se usa para verificar que todos los términos de una ecuación tengan las mis- mas dimensiones, lo que garantiza que la ecuación está planteada en forma
  25. 25. Cap. 1 Introducción a la Física 25 correcta. Cuando se hace el análisis dimensional, los términos no se operan con el álgebra corriente, por ejemplo las unidades de medida no se suman o restan, solo se comparan sus unidades entre términos de la ecuación a dimen- sionar, generalmente se usa el símbolo [ ] en cada término al hacer el análisis. Ejemplo 1.5. Hacer el análisis dimensional para el siguiente modelo físico axvv o 222 += , donde v se mide en m/s, x en m y a en m/s2 . Solución: se escriben las unidades de medida en cada término de la ecuación, considerando que las unidades no se suman ni restan y que el 2 es un número sin unidades de medida que no multiplica a la unidad de medida: [ ] ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ =⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ +⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ =⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⇒+= 2 2 2 2 22 22 2 s m s m m s m s m s m axvv o Por lo tanto la expresión es dimensionalmente consistente. 1.6 SISTEMAS DE REFERENCIA. En mecánica se tratan problemas relacionados con la descripción del movi- miento de un objeto en el espacio, por lo que se requiere un método para co- nocer la posición de ese objeto. Para esto se definen los sistemas de coordena- das y marcos de referencia. Un sistema de coordenadas usado para indicar las posiciones en el espacio consta de: 1. Un punto de referencia fijo O, llamado origen. 2. Un conjunto de ejes o direcciones con una escala apropiada. 3. Instrucciones sobre como identificar un punto en el espacio respecto al ori- gen y a los ejes. 1.6.1 Coordenadas cartesianas o rectangulares. Un sistema de coordenadas frecuentemente usado es el sistema de coordena- das cartesiano o rectangular, que se muestra en la figura 1.2, con ejes x sa-
  26. 26. Cap. 1 Introducción a la Física 26 liendo del plano de la figura, eje y horizontal y eje z vertical. En este sistema un punto P arbitrario se identifica con tres coordenadas identificadas por (x,y,z), con los valores positivos de los ejes hacia fuera del plano de la figura, hacia la derecha y hacia arriba, respectivamente en cada eje, como se indica en la figura 1.2. Es el espacio común en el que vivimos, se llama espacio tridimensional porque tiene tres dimensiones, para indicarlo usamos en símbolo 3D. En ocasiones bastan dos o una coordenadas para fijar la posición del objeto, estos se llaman espacio bidimensional (2D) o unidimensional (1D), respectivamente. Figura 1.2. Coordenadas cartesianas. 1.6.2 Coordenadas polares. Otro sistema de coordenadas conocido es el de las coordenadas polares (r,θ) (figura 1.3), donde r es la distancia desde el origen al punto (x,y), generalmen- te llamado radio, y θ el ángulo entre el eje x y r, por convención, considerado positivo cuando es medido en sentido antihorario desde el eje x hacia r. La relación entre las coordenadas cartesianas y polares es θθ rseny,cosrx == . Se deja como ejercicio al alumno demostrar que sus relaciones inversas son:
  27. 27. Cap. 1 Introducción a la Física 27 22 yxr , x y tan += =θ Figura 1.3. Coordenadas polares. De paso aprovechemos de recordar el teorema de Pitágoras y las funciones trigonométricas básicas seno, coseno y tangente, que se definen para un trián- gulo rectángulo, como el que se muestra en la figura 1.4, estas son: 222 yxr += r y hipotenusa opuestocateto sen ==α r x hipotenusa adyacentecateto cos ==α x y adyecentecateto opuestocateto tan ==α
  28. 28. Cap. 1 Introducción a la Física 28 Figura 1.4. Un triángulo rectángulo. 1.7 CONCEPTOS BÁSICOS DE VECTORES. Las magnitudes físicas con las que trataremos en el curso pueden ser escalares o vectoriales. Las magnitudes físicas escalares quedan completamente defini- das mediante un número y sus respectivas unidades de medida, por ejemplo la densidad del agua de 1 gr/cm3 o la temperatura del aire de 20º C, son un esca- lar. Para las magnitudes físicas vectoriales debe especificarse su magnitud (un número con sus unidades), su dirección (un número que puede ser un án- gulo si el espacio es bi o tridimensional) y su sentido (que indica hacia adonde se dirige o apunta el vector), por ejemplo una velocidad de 80 km/h hacia el noreste. Un vector se representa gráficamente como un trazo dirigido (flecha) y se simboliza mediante letras mayúsculas o minúsculas, con una flecha sobre la letra o escrita en negrita, como V o V r , r o r r , OP o OP. La longitud de la flecha indica la magnitud relativa del vector, el punto desde donde se comien- za a dibujar el vector se llama punto de aplicación, la dirección se mide desde algún eje de referencia, generalmente horizontal, el sentido esta dado por la punta de la flecha y la recta sobre la cual se ubica el vector se llama línea de acción. En la figura 1.5, el vector A tiene magnitud A, su punto de aplicación es O y su dirección es α grados sobre la horizontal. 1.7.1 Igualdad de vectores. Dos o más vectores son iguales si: a) apuntan en la misma dirección, b) si sus magnitudes son iguales. En la figura 1.6, dcba rrrr === independientemente de la ubicación de los vectores en el espacio.
  29. 29. Cap. 1 Introducción a la Física 29 Figura 1.5. Representación de un vector. Figura 1.6 Igualdad de vectores. 1.7.2 Multiplicación de un vector por un escalar. El resultado de multiplicar un vector por un escalar λ es un vector, de magni- tud distinta y de dirección igual (o contraria) al vector original. En la figura 1.7 se muestra que b2B rr = y d32D rr −= . Figura 1.7. 1.7.3 Vectores especiales. • Vector nulo: es un vector de magnitud igual a cero (0).
  30. 30. Cap. 1 Introducción a la Física 30 • Vector unitario: vector de magnitud igual a uno (1). 1.7.4 Adición de vectores y algunas de sus propiedades. Los vectores se pueden sumar en forma geométrica por diversos métodos, ta- les como los que se muestran en la figura 1.8, a) el método del polígono o b) el método del paralelogramo. Figura 1.8. a) Método del polígono, b) método del paralelogramo. Además los vectores cumplen con las siguientes propiedades del álgebra: • Conmutatividad de la suma: a + b = a + b. • Asociatividad de la suma: a + b + c = (a + b) + c = a + (b + c). • Distributividad de la multiplicación por un escalar en la suma de vectores. • Conmutatividad del producto: a · b = b · a , a · a = a2 . • Asociatividad del producto: a · ( b + c) = a · b +a · c • Inverso aditivo: si a + b = 0, entonces b es el inverso aditivo de a y se es- cribe b = -a. • La resta de vectores es un caso especial de adición, donde el vector restan- do se suma con su inverso aditivo: a - b = a +(- b). • La división entre vectores no está definida. 1.7.5 Representación de los vectores en coordenadas cartesianas. Las componentes vectoriales de un vector son aquellas que sumadas dan como resultado el vector original. Las componentes vectoriales de un vector en el espacio se calculan a lo largo de un conjunto de 3 líneas mutuamente perpen-
  31. 31. Cap. 1 Introducción a la Física 31 diculares que se cortan en un mismo punto, es decir en líneas paralelas a los ejes de un sistema de coordenadas cartesiano. Los vectores unitarios y las componentes vectoriales del vector A en estas direcciones se designan por kji ˆ,ˆ,ˆ y por Ax, Ay, Az, respectivamente, tal que: kˆAjˆAiˆAA zyx ++= r En el plano (x, y) de la figura 1.9, se tiene: Vector: jˆAiˆAA yx += r Componentes: Ax = A cosα, Ay = A senα Magnitud: 2 y 2 x AAA += Dirección: tanα = Ay/Ax Figura 1.9. Componentes de un vector. 1.7.6 Igualdad de vectores en componentes. Dos vectores son iguales si todas sus componentes son iguales, esto es, A = B si Ax = Bx, Ay = By y Az = Bz.
  32. 32. Cap. 1 Introducción a la Física 32 1.7.7 Suma, resta y multiplicación por un escalar. Se opera sobre las componentes escalares análogas de los vectores. Para el caso tridimensional se realizan tres operaciones escalares por cada operación vectorial, como se indica, donde λ representa un escalar: ( ) ( ) ( ) ( ) ( )kˆBAjˆBAiˆBABA kˆBjˆBiˆBkˆAjˆAiˆABA zzyyxx zyxzyx +++++=+ +++++=+ rr rr ( ) ( ) ( ) ( ) ( )kˆBAjˆBAiˆBABA kˆBjˆBiˆBkˆAjˆAiˆABA zzyyxx zyxzyx −+−+−=− ++−++=− rr rr ( ) ( ) ( )kˆAjˆAiˆAA zyx λλλλ ++= r 1.7.8 Producto escalar entre vectores. El producto escalar entre vectores da como resultado un escalar, se lee A punto B, y se define como: αcosABBA =⋅ rr donde A y B es la magnitud y α es el ángulo entre los vectores A y B. Aplica- do a vectores unitarios y a las componentes de un vector, se tiene: zzyyxx BABABABA 0kˆjˆkˆiˆjˆiˆ 1kˆkˆjˆjˆiˆiˆ ++=⋅ =⋅=⋅=⋅ =⋅=⋅=⋅ rr
  33. 33. Cap. 1 Introducción a la Física 33 1.7.9 Producto vectorial de vectores. El producto vectorial entre vectores da como resultado un vector, se lee A cruz B, y se define como: ABsenαCcon,BAC =×= rrrr donde A y B es la magnitud y α es el ángulo entre los vectores A y B, y la di- rección de C esta dada por la regla de la mano derecha o del tornillo derecho, C es un vector perpendicular al plano formado por A y B. El producto vecto- rial se calcula resolviendo el siguiente determinante: zyx zyx BBB AAA kˆjˆiˆ BA =× rr Aplicado a vectores unitarios, se obtiene que: jˆiˆkˆ,iˆkˆjˆ,kˆjˆiˆ 0kˆkˆjˆjˆiˆiˆ =×=×=× =×=×=× Ejemplo 1.6. Un gato se mueve en el plano (x,y) desde la posición P1 en (-3,- 5) m hasta la posición P2 en (10,2) m. (a) Dibujar los vectores de posición y escribirlos en coordenadas cartesianas. Calcular (b) la variación de la posi- ción del gato, (c) magnitud la variación y (d) su dirección. Solución: a) en la figura 1.10 se dibuja el diagrama vectorial.
  34. 34. Cap. 1 Introducción a la Física 34 Figura 1.10. Ejemplo 6. Posiciones: jˆyiˆxr 111 += r jˆ5iˆ3r1 −−= v jˆyiˆxr 222 += r jˆ2iˆ10r2 += r b) La variación de la posición es la diferencia entre las posiciones del objeto, esto es la posición final menos la posición inicial denotada por r r ∆ . ( ) ( ) mjˆ7iˆ13jˆ5iˆ3jˆ2iˆ10rrr 12 +=−−−+=−=∆ rrr c) Magnitud: m8,14)7()13(r 22 =+=∆ r d) Dirección: º3.28 13 7 tan =⇒= θθ Ejemplo 1.7: Una hormiga camina por el borde de un CD de 6 cm de radio, rodeando la mitad del disco. Calcular: (a) la variación de su posición, (b) ¿cuánto camina?, (c) su variación de posición si completa el círculo. Solución: Usando el sistema de referencia de la figura 1.11, donde i es la po- sición inicial, que se elige en el origen, y f la posición final.
  35. 35. Cap. 1 Introducción a la Física 35 a) if rrr rrr −=∆ , de la figura 11 jˆ0iˆ12r,jˆ0iˆ0r fi +=+= rr cmiˆ12r =∆ r Figura 1.11. b) Se pide distancia d recorrida desde i hasta f por el borde (por ejemplo el superior) del disco, si P es el perímetro, entonces: cm8.18cm6RR2 2 1 P 2 1 d ===== πππ se observa que rd r ∆≠ c) Hay que calcular r r ∆ después que la hormiga ha dado una vuelta comple- ta. if rrr rrr −=∆ cm0jˆ0iˆ0r0rr if rrrr =−=∆⇒==
  36. 36. Cap. 1 Introducción a la Física 36 PROBLEMAS. 1.1 Escribir usando prefijos, en unidades del Sistema Internacional: longitud del ecuador, radios del núcleo y átomo, segundos de un milenio, edad de la Tierra, volumen de una pulga, masa del Sol, distancia de la estrella más cercana a la Tierra (después del Sol). 1.2 El Sol es un ‘adulto joven’ de apenas casi 5 mil millones de años, escri- ba la edad del Sol sin y con prefijos del Sistema Internacional. (Cuando el Sol se apague, se acabará la fuente de energía que mantiene todos los procesos sobre la Tierra y por lo tanto la vida sobre ella.) R: 1.57x1017 s. 1.3 La energía que la Tierra recibe del Sol es del orden de 220 watts/m2 , es- timar la cantidad de energía sobre toda la superficie terrestre. Expresar el resultado con prefijos. 1.4 Estimar la cantidad de kilómetros que tu has caminado desde que naciste a la fecha. 1.5 Estimar el número de pinos y su valor en pesos para un bosque de pinos típico de la 8ª Región. 1.6 Si durante un evento de lluvia en la zona cayeron 25 mm de agua, esto es 25 lt/m2 , estime la cantidad de agua que cayó sobre la Bahía Concep- ción. ¿A cuantas casas se podría abastecer con agua durante todo un día con esa cantidad? 1.7 Transformar 10 m/s a km/h, 300000 km/h a m/s, 250 Glt a m3 , 1.25 kg/m3 a gr/cm3 , 500 hPa a atm, 4500 m2 a cm2 . 1.8 La Tierra tiene una edad de 4600 millones de años y el ser humano ha estado sobre ella desde hace unos 150 mil años. Si la edad la Tierra la hacemos equivalente a un día, ¿cuántos segundos tiene el ser humano sobre la Tierra? 1.9 Para las expresiones 3 BtAtx += y 2 Bt3Av += donde x se mide en m, t en s y v en m/s, determine las unidades de medida de A y de B.
  37. 37. Cap. 1 Introducción a la Física 37 1.10 Demuestre que las ecuaciones cteghv)2/1(p 2 =++ ρρ , ax2vv 2 0 2 += y g/l2T π= son dimensionalmente correctas, donde x, h y l son longitudes, v y v0 son velocidad (m/s), a y g aceleración (m/s2 ), T tiempo (s), p presión (kg/ms2 ), y ρ densidad (kg/m3 ). 1.11 Un vector de 5 unidades se orienta en dirección positiva del eje x, y otro de 3 unidades se orienta en 230º. Determine la suma y la resta de estos vectores, gráfica y analíticamente. 1.12 El vector A se extiende desde el origen hasta un punto que tiene coorde- nadas polares (8,60º) y el vector B se extiende desde el origen hasta un punto que tiene coordenadas polares (3,340º). Calcular su producto es- calar, vectorial y el ángulo que forman los vectores. 1.13 Si jˆ3iˆ4A += r y jˆ5iˆB +−= r , calcular su producto escalar, vectorial y el ángulo que forman los vectores. Dibujar todos los vectores. 1.14 Para los siguientes vectores: jˆ3iˆ2V1 += r , kˆ2jˆ5.1iˆ3V2 ++−= r , kˆ5jˆ7iˆ5.2V3 −−= r , calcular la magnitud y dirección de cada vector. 1.15 Para los vectores del problema 1.14 calcular: a) su suma, b) 3V2 – V1, c) 5V3 + V2, d) 2V1 +3V2 – 0.5V3. Dibujar los vectores y los resultados. 1.16 Para los vectores del problema 1.14, calcular a) el producto escalar entre cada par de vectores, f) el producto vectorial entre cada par. 1.17 El vector F1 tiene una magnitud de 5 unidades y el vector F2 tiene una magnitud de 10 unidades. Ambos vectores forman un ángulo de 120º en- tre si. Calcular su producto escalar y vectorial. 1.18 Demostrar que: zzyyxx BABABABA ++=⋅ rr 1.19 Demostrar que: 0kˆkˆjˆjˆiˆiˆ =×=×=× 1.20 Demostrar que: jˆiˆkˆ,iˆkˆjˆ,kˆjˆiˆ =×=×=×
  38. 38. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 39 CAPITULO 2. MOVIMIENTO EN UNA DIMENSION. La cinemática es la rama de la mecánica que estudia la geometría del movi- miento. Usa las magnitudes fundamentales longitud, en forma de camino reco- rrido, de posición y de desplazamiento, con el tiempo como parámetro. La magnitud física masa no interviene en esta descripción. Además surgen como magnitudes físicas derivadas los conceptos de velocidad y aceleración. Para conocer el movimiento del objeto es necesario hacerlo respecto a un sis- tema de referencia, donde se ubica un observador en el origen del sistema de referencia, que es quien hace la descripción. Para un objeto que se mueve, se pueden distinguir al menos tres tipos de movimientos diferentes: traslación a lo largo de alguna dirección variable pero definida, rotación del cuerpo alre- dedor de algún eje y vibración. Generalmente el movimiento de traslación en el espacio está acompañado de rotación y de vibración del cuerpo, lo que hace que su descripción sea muy compleja. Por esto, se considera un estudio con simplificaciones y aproximaciones, en el cual se propone un modelo simple para estudiar cada movimiento en forma separada,. La primera aproximación es considerar al cuerpo como una partícula, la segunda es considerar sólo el movimiento de traslación, una tercera aproximación es considerar el movi- miento en una sola dirección. 2.1 DEFINICIONES. Antes de hacer la descripción del movimiento, es necesario definir algunos conceptos y variables físicas que se usarán en este curso. Cinemática: describe el movimiento de los cuerpos en el universo, sin consi- derar las causas que lo producen. Movimiento: es el cambio continuo de la posición de un objeto en el transcur- so del tiempo. Partícula: el concepto intuitivo que tenemos de partícula corresponde al de un objeto muy pequeño que puede tener forma, color, masa, etc., como por ejem- plo un grano de arena. El concepto físico abstracto es una idealización de un objeto considerado como un punto matemático sin dimensiones, que tendrá sólo posición, masa y movimiento de traslación. Esto significa que cualquier
  39. 39. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 40 objeto puede ser considerado como partícula, independiente de su tamaño, considerando su masa concentrada en un punto que lo representa. Ejemplos de objetos que se pueden considerar como una partícula son un átomo, una hor- miga, un avión, la Tierra, etc., en este último caso se justifica si se estudia su movimiento de traslación en torno al Sol. Posición: es la ubicación de un objeto (partícula) en el espacio, relativa a un sistema de referencia. Es un vector y se denota por: kzjyixr ˆˆˆ ++= r (2.1) donde x, y y z son los valores de la posición en cada dirección, e kji ˆyˆ,ˆ son los vectores unitarios en la dirección de cada eje x, y y z, respectivamente. En una dimensión es simplemente ixr ˆ= r . Es una de las variables básicas del movimiento, junto con el tiempo, en el SI se mide en metros. La posición se puede dibujar en un sistema de referencia en una y dos dimensiones como se muestra en la figura 2.1a y 2.1b respectivamente: Figura 2.1a: Posición en una dimensión. Figura 2.1b: Posición en dos dimensiones. Desplazamiento: el desplazamiento se define como el cambio de posición de una partícula en el espacio (para indicar cambios o diferencias finitas de cual- quier variable en física se usa el símbolo delta, ∆). Es independiente de la tra- yectoria que se siga para cambiar de posición. Para determinarlo se debe co- nocer la posición inicial ir r y final fr r de la partícula en movimiento. E1 des-
  40. 40. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 41 plazamiento es un vector, que puede ser positivo, negativo o cero, en el SI se mide en metros; se dibuja en el esquema de la figura 2.2. En una dimensión y en dos dimensiones, el desplazamiento es: ixxx if ˆ)( −=∆ r (2.2) )ˆˆ()ˆˆ( jyixjyixrrr iiffif +−+=−=∆ rrr Figura 2.2. Vector desplazamiento en dos dimensiones. Trayectoria: es la curva geométrica que describe una partícula en movimiento en el espacio, y se representa por una ecuación de la trayectoria. En una di- mensión es una recta y = cte, paralela al eje x; en dos dimensiones puede ser una parábola y = a + bx2 o una circunferencia x2 + y2 = r2 u otra curva. Distancia: es la longitud que se ha movido una partícula a lo largo de una tra- yectoria desde una posición inicial a otra final. Su valor numérico en general no coincide con el valor numérico del desplazamiento, excepto en casos muy particulares. Tiempo: ¿Qué es el tiempo? No es fácil definir físicamente el concepto de tiempo. Es más simple hablar de intervalo de tiempo, que lo podemos definir como la duración de un evento, o si consideramos la posición y sus cambios, podemos decir que el tiempo es lo que tarda una partícula en moverse desde una posición inicial a otra final.
  41. 41. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 42 2.2 VELOCIDAD Y ACELERACION. Para describir el movimiento debemos definir otras variables cinemáticas, que son la velocidad y la aceleración. 2.2.1 Velocidad media. Para una partícula que se mueve en dirección del eje x, desde la posición ini- cial xi que en un instante inicial ti se encuentra en el punto P, hasta la posición final xf que en un instante final tf se encuentra en el punto Q, el desplazamien- to de la partícula en el intervalo de tiempo if ttt −=∆ es .xxx if rrr −=∆ Se elige el sistema de referencia que se muestra en la figura 2.3. Se define la componente x de la velocidad media mxv r de la partícula como el cambio de posición en un intervalo de tiempo por la expresión: if if mx tt xx t x v − − = ∆ ∆ = rrr r (2.3) Figura 2.3 Sistema de referencia en una dimensión para definir la velocidad media. De su definición se obtiene que la unidad de medida de la velocidad media en el SI es el cuociente entre la unidad de medida de longitud y de tiempo, esto es m/s, que se lee metros por segundo. La velocidad media es independiente de la trayectoria en el movimiento desde P a Q, es un vector y puede ser positiva, negativa o cero, según el signo o valor del desplazamiento (ya que ∆t > 0 siempre). En una dimensión, si la posición x aumenta con el tiempo (xf > xi) ∆x > 0, entonces 0vmx > r , y la partícula se mueve en dirección positiva del eje x, y viceversa si ∆x < 0.
  42. 42. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 43 Una interpretación geométrica de la velocidad media se puede ilustrar en un gráfico x/t llamado gráfico posición - tiempo. La recta PQ es la hipotenusa del triángulo de lados ∆x y ∆t, que se muestra en la figura 2.4. La pendiente de la recta PQ, que tiene el mismo valor numérico que la mxv r , está dada por la tan- gente del ángulo α que forma la pendiente con el eje horizontal, cuyo valor es: pendiente t x = ∆ ∆ =αtan Figura 2.4a Figura 2.4b Notar que el gráfico de la figura 2.4 no es un sistema de referencia en dos di- mensiones, a pesar de tener dos ejes, ya que el eje horizontal no es de posi- ción, sino de tiempo. 2.2.2 Velocidad instantánea. Es la velocidad de la partícula en un instante determinado. Si se considera que el intervalo de tiempo ∆t se puede hacer cada vez más y más pequeño, de tal manera que el instante final tf tiende a coincidir con el instante inicial ti, en- tonces se dice que el intervalo de tiempo tiende a cero, o sea ∆t → 0. En el límite cuando ∆t → 0, r r ∆ también tiende a cero, por lo que la partícula se en- cuentra en una posición instantánea. Por lo tanto se puede definir el vector ve- locidad instantánea v r de la siguiente forma:
  43. 43. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 44 dt rd t r limv 0t rr r = ∆ ∆ = →∆ (2.4) La velocidad instantánea, que llamaremos simplemente velocidad, puede ser positiva (negativa) si la partícula se mueve en dirección positiva (negativa) del eje x, o cero, en este caso se dice que la partícula está en reposo. La velocidad tiene la misma interpretación geométrica que la velocidad media y en la figura 2.4b se ilustra en el gráfico x/t una curva de pendiente positiva, que representa una velocidad positiva. Rapidez. Se define como rapidez instantánea v a la magnitud o valor numérico del vec- tor velocidad, por lo tanto es siempre positiva. 2.2.3 Aceleración media. Lo normal es que la velocidad de una partícula en movimiento varíe en el transcurso del tiempo, entonces se dice que la partícula tiene aceleración. Se define la aceleración media am como el cambio de velocidad en un intervalo de tiempo, lo que se escribe como: if if m tt vv t v a − − = ∆ ∆ = rrr r (2.5) La aceleración media es un vector, su unidad de medida en el SI es el resulta- do de dividir la unidad de medida de velocidad y de tiempo, esto es (m/s)/s, que se lee m/s2 . 2.2.4 Aceleración instantánea. Es la aceleración a de la partícula en un instante determinado. De manera aná- loga a la definición de la velocidad, se escribe:
  44. 44. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 45 dt vd t v lima 0t rr r = ∆ ∆ = →∆ (2.6) Como vector, si la aceleración es positiva (negativa) apunta en dirección posi- tiva (negativa) del eje x, independientemente de la dirección del movimiento de la partícula. Puede existir una aceleración positiva o negativa y la partícula puede estar aumentando su velocidad, y viceversa. En el esquema de la figura 2.5 se muestra para algunos casos el sentido de la aceleración para diferentes valores y signos de la velocidad. Figura 2.5 Esquema de diferentes sentidos de la aceleración. Si la aceleración es constante, entonces la rapidez promedio se puede calcular como el promedio aritmético entre los distintos valores de rapidez de la forma: ( )fim vvv += 2 1 Una interpretación geométrica de la aceleración se obtiene del gráfico rapidez versus tiempo o gráfico v/t, donde la pendiente de la curva representa el valor numérico de la aceleración, como se ve en la figura 2.6. Si la rapidez, esto es la pendiente de la curva, es positiva (negativa), la aceleración es positiva (ne- gativa). En el gráfico se observa una curva con pendiente positiva que dismi-
  45. 45. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 46 nuye su valor hasta cero, que representa un movimiento con aceleración posi- tiva, pero disminuyendo su valor, luego la pendiente se hace negativa, aumen- tando negativamente su valor y lo mismo ocurre con la aceleración. apendiente t v == ∆ ∆ =αtan Figura 2.6 Gráfico rapidez versus tiempo. La aceleración también se puede escribir como: 2 2 dt xd dt xd dt d dt vd a rrr r =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ == que corresponde a la segunda derivada de la posición respecto al tiempo. La aceleración también puede variar en el tiempo, pero esa variación no tiene significado físico de importancia, por lo que no se le da un nombre en particu- lar. Aunque da/dt podría representar o llamarse algo así como “sacudón” o “empujón”. También puede existir un d(empujón)/dt y así hasta el infinito. Ejemplo 2.1: Una partícula se mueve en dirección x > 0 durante 10 s con ra- pidez constante de 18 km/h, luego acelera hasta 25 m/s durante 5 s. Calcular: a) su desplazamiento en los primeros 10 s, b) la aceleración media en cada intervalo de tiempo, c) la rapidez media del movimiento.
  46. 46. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 47 Solución: Datos ∆t1 = 10 s, vi = 18 km/h = 5 m/s, ∆t2 = 5 s, vf = 25 m/s a) ms s m tvx t x v 50105 =×=∆=∆⇒ ∆ ∆ = b) para ∆t1: vi = cte => a = 0 para ∆t2: 2 4 5 /)525( s m s sm t v a = − = ∆ ∆ = c) s msmvv v fi m 15 2 /)255( 2 = + = + = 2.3 DESCRIPCIÓN CINEMÁTICA DEL MOVIMIENTO EN UNA DI- MENSIÓN CON ACELERACIÓN CONSTANTE. E1 movimiento de una partícula se describe por completo si se conoce su po- sición en cualquier instante. Para encontrar leyes que expliquen los diferentes cambios de los cuerpos en el tiempo, se deben registrar los cambios y descri- birlos. Algunos cambios son difíciles de describir, como por ejemplo los mo- vimientos de una nube, formada por billones de gotitas de agua que se mueven al azar y pueden evaporarse o unirse para formar gotas más grandes, o bien los cambios de opinión de una mujer. Describir el movimiento significa poder responder a la pregunta ¿en que posi- ción se encuentra el cuerpo en movimiento en cualquier instante de tiempo? Si la aceleración a r varía en el tiempo el movimiento puede ser muy complejo y difícil de analizar. Un caso simple de movimiento es aquel que se realiza en una dirección con aceleración constante. Si la aceleración es constante, enton- ces la maa rr = , lo que significa que la velocidad cambia de manera uniforme en todo el movimiento. Consideremos primero el caso de una partícula que se mueve en dirección del eje x con la magnitud de la aceleración a constante. Si v0 es el valor de la ve- locidad o rapidez en el instante inicial t0, y v su valor en el instante t, de la de- finición de a se tiene:
  47. 47. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 48 ⇒−=− ==⇒=⇒= ∫ ∫∫ )( 00 00 ttavv dtaadtdvadtdv dt dv a t t t t v v o )()( 00 ttavtv −+= rrr (2.7) La ecuación 2.7 permite determinar la velocidad v = v(t) de una partícula que se mueve en una dirección con aceleración a r constante, para cualquier instan- te t > t0. Como v0, a y t0 son valores conocidos, se observa que v es una fun- ción lineal del tiempo t, por lo tanto el gráfico rapidez versus tiempo o gráfico v/t es de la forma que se muestra en la figura 2.7a. Para a < 0, y para el caso de una partícula que está disminuyendo su rapidez, los gráficos v/t y a/t se muestran en la figura 2.7b. Figura 2.7a. Gráficos v/t y a/t, para a > 0. Figura 2.7b. Gráficos v/t y a/t, para a < 0.
  48. 48. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 49 El valor de la pendiente de la tangente a la curva v(t) en el gráfico v/t es igual al valor numérico de la aceleración. Para el movimiento con aceleración cons- tante v(t) es la ecuación de una recta. Conocida v = v(t) se puede usar la definición de la velocidad para obtener la posición de la partícula en cualquier instante. ∫ ∫=⇒=⇒= vdtdxvdtdx dt dx v Si inicialmente, para t = to, la partícula se encuentra en la posición xo y en cualquier instante t se encuentra en la posición x, la velocidad en función del tiempo es )tt(av)t(v 00 −+= , reemplazando en la integral, con los límites de integración correspondientes queda: [ ] 2 000 x x t t 00 )tt(a 2 1 )tt(vdt)tt(avdx 0 0 −+−=−+=∫ ∫ Escrita en forma vectorial, se obtiene: 2 0000 )tt(a 2 1 )tt(vxx −+−=− rrrr Como xo, vo y a son los valores conocidos para t = to, se deduce que x es sólo función del tiempo, así la ecuación que describe la posición de una partícula en movimiento en función del tiempo x = x(t) es: 2 0000 )tt(a 2 1 )tt(vxx −+−+= rrrr (2.8)
  49. 49. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 50 La ecuación 2.8 es la expresión que permite determinar el valor de la posición de la partícula en cualquier instante, conocido los valores iniciales. El gráfico posición/tiempo es una parábola, ya que la ecuación x = x(t) es cuadrática en t. La pendiente de la tangente a la curva en cualquier instante t representa el va- lor numérico de la velocidad de la partícula (figura 2.8). Esta ecuación x(t) también se conoce como “ecuación de itinerario”. Figura 2.8 Gráfico x/t Las ecuaciones x = x(t), v = v(t) y a = cte., forman el conjunto de ecuaciones cinemáticas, que permiten describir el movimiento simple de una partícula que se mueve con aceleración constante en una dirección, y como con esas ecua- ciones se pueden determinar los valores de esas variables para la partícula en cualquier instante, el movimiento queda completamente descrito. Para el caso particular de un movimiento con rapidez constante, la aceleración de la partí- cula es cero, y las ecuaciones del movimiento 2.7 y 2.8 se reducen a: )tt(vxx 000 −+= rrr .ctevv 0 == rr Ejemplo 2.2: Demostrar que si la aceleración de una partícula en movimiento es constante, se tiene que xavv o ∆+= 222 .
  50. 50. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 51 Solución: De )tt(av)t(v oo −+= , se despeja a vv tt 0 0 − =− , reemplazando en 2 0000 )tt(a 2 1 )tt(vxx −+−+= , 2 00 00 a vv a 2 1 a )vv( vxx ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − + − =− a2 )vvv2v( a v a vv xx 2 00 22 00 0 +− +−=− , dividiendo por 2a 2 0 22 00 22 000 vvvvv2vv2vv2)xx(a2 −=+−+−=− xa2vv 2 0 2 ∆+=⇒ Esta es una expresión escalar independiente del tiempo, no es una ecuación general, por lo que no se puede usar en cualquier problema, es de utilidad res- tringida ya que sólo permite obtener la magnitud de las variables que contiene. Ejemplo 2.3. un móvil parte desde el reposo en el instante t = 5 s y acelera hacia la derecha a razón de 2 m/s2 hasta t = 10 s. A continuación mantiene su velocidad constante durante 10 s. Finalmente frena hasta detenerse, lo que logra hacer 3 segundos más tarde. a) Determinar a qué distancia del punto de partida se encuentra en t = 10 s. b) ¿Con qué velocidad se mueve en ese ins- tante? c) ¿A qué distancia de la partida se encuentra cuando empieza a fre- nar? d) ¿Dónde se detiene respecto al punto de partida? e) Escriba las ecua- ciones correspondientes a: a(t), v(t), x(t) para cada etapa del movimiento. Solución: Se puede elegir el SR como el cliente guste; una posibilidad se ilus- tra en la figura 2.9, donde inicialmente se ubica a la partícula en el origen O y se empieza a medir el tiempo desde el instante inicial 5 s. a) Se pide evaluar x(t) para t = 10 s, con las condiciones xo = 0, vo = 0, ao = 2m/s2 , to = 5s, t1 = 10s, en el tramo A
  51. 51. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 52 2 00000 )tt(a 2 1 )tt(vx)t(x −+−+= m25s)510( s m 2 2 1 00)10(x 22 2 =−⋅++= Figura 2.9 b) Ahora hay que calcular v(t) en t = 10 s, usando la ecuación: )tt(av)t(v 000 −+= m/s10s)510( s m 20)10(v 2 =−+= c) Piden evaluar x(t) para t = 20 s, usando esquema y datos del tramo B: 2 1111010 )tt(a 2 1 )tt(vx)t(x −+−+= m1250s)1020( s m 10m25)20(x =+−+= d) Aquí se pide calcular x(t) para t = 23 s, se conoce vf = 0, t3 =23 s, pero no se conoce a2, por lo que se debe calcular. 2 232020 )20t(a 2 1 )20t(vx)t(x −+−+= cálculo de a2:
  52. 52. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 53 )tt(avv 222 −+= en el tramo C 20t v a)20t(av0 3 2 2322 − −=⇒−+= Pero v2 = cte en el tramo B v2 = 10 m/s 2 s m 3 10 s)2023( s/m10 a −= − −= m140)23(x m140)2023( 3 10 2 1 )2023(10125)t(x 2 =⇒ =−⋅−−+= e) Ecuaciones de movimiento: Para el tramo A: 2 0o000 )tt(a 2 1 )tt(vx)t(x −+−+= Con xo = 0, vo = 0, ao = 2m/s2 , to = 5s 22 o )5t()t(x)5t(a 2 1 )t(x −=⇒−= )5t(2)t(v)tt(av)t(v 000 −=⇒−+= Las ecuaciones para los tramos B y C las puede deducir el alumnos de los re- sultados obtenidos en c) y d), donde basta reemplazar los valores en las fun- ciones de posición y rapidez en función de t. Ejemplo 2.4. Un auto ingresa en Concepción al puente nuevo a San Pedro con una rapidez de 54 km/h, la que mantiene constante mientras recorre el puente. En el mismo instante en San Pedro otro auto ingresa lentamente al puente con una rapidez inicial de 10.8 km/h hacia Concepción, acelerando a 1 m/s2 . Si la longitud del puente es de 1838 m. Calcular a) la posición donde se cruzan, b) la rapidez del auto de San Pedro en el instante en que se cruzan, ¿qué comentario puede hacer de este resultado?
  53. 53. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 54 Solución: Datos: toA = toB = 0, xoA = 0, xoB = 1838m s m 15 1 1000 3600 1 54 =××= km m s h h km voA , aA = 0 m/s3km/h8.10 ==oBv , aB = 1m/s2 El esquema de la figura 2.10, muestra el sistema de referencia elegido: Figura 2.10. a) El movimiento es en una dimensión con a =cte, las ecuaciones para cada móvil (A en Concepción, B en San Pedro) son: ( ) ( ) t15xtvxtta 2 1 ttvxx AA0A 2 0A0A0A0A =⇒=⇒−+−+= ( ) m/s15vvvttavv AA0A0AA0A =⇒=⇒−+= ( ) ( ) 2 B 2 0B0B0B0B t 2 1 t31838xtta 2 1 ttvxx −−=⇒−+−+= ( ) t3vttavv B0BB0B −−=⇒−+= Cuando se cruzan: xA = xB, entonces 01838t18t5.0t5,0t31838t15 22 =−+⇒−−=
  54. 54. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 55 ststt 6.40,2.45 1 )1838)(5.0(41818 21 2 −==⇒ +±− = ( ) m678)2.45(152.45x ==∴ b) ( ) km/h5.173m/s2.482.4532.45 =−=−−=Bv El automóvil de San Pedro no puede acelerar durante todo ese tiempo, porque alcanzaría una rapidez muy alta, superando en mucho la máxima permitida y posible de alcanzar. 2.4 CALCULO GRÁFICO DE ∆x Y ∆v. El proceso de integración es gráficamente equivalente a encontrar el área bajo la curva y = f(x). Se puede usar esta propiedad de las integrales para calcular gráficamente el valor del desplazamiento ∆x y el cambio de rapidez ∆v de una partícula en movimiento. De la definición de velocidad se tiene: ∫ ∫∫ =∆ ⇒=⇒=⇒= t t t t x x dttvx dttvdxvdtdx dt dx v o 0 0 )( )( donde v(t) es la velocidad en cualquier instante. Si se conoce la forma analítica de v(t) se puede calcular la integral, pero si no se conoce, se puede evaluar gráficamente y por definición de integral, la expresión anterior se interpreta como (ver figura 2.11a): desplazamiento = área bajo la curva v/t Considerando primero el caso en que la partícula se mueve con rapidez cons- tante vo (significa que su aceleración es cero), entonces del gráfico v/t, que se
  55. 55. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 56 muestra en la figura 2.11a, el desplazamiento es el área del rectángulo de la- dos vo y ∆t, esto es: desplazamiento = área rectángulo tvx o∆=∆ , con vo = cte. Figura 2.11 a) izquierda, b) derecha. Considerando ahora el caso en que la partícula se mueve con rapidez v(t) fun- ción lineal del tiempo (en este caso la aceleración es constante), o sea v(t) = vo + a(t - to), el desplazamiento ∆x de la partícula durante el intervalo de tiempo desde to a t es igual al área bajo la recta v(t) de la figura 2.11b: desplazamiento = área rectángulo + área triángulo 2 o o )t(a 2 1 t tv 2 1 t vx vx ∆+∆= ⇒∆∆+∆ ∆ =∆ De manera similar se obtiene el calculo gráfico para el cambio de rapidez. Considerar una partícula que se mueve con rapidez vo en el instante inicial to y con rapidez v en el instante t, que aumenta su aceleración linealmente con el tiempo, o sea a(t) = ao + k(t - to), donde ao es el valor inicial de la aceleración
  56. 56. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 57 y k representa el valor de la pendiente de la recta en el gráfico aceleración ver- sus tiempo, que debe tener unidad de medida de m/s3 . En este caso estamos extendiendo la descripción del movimiento al caso de una partícula con acele- ración variable, dejando de lado la restricción impuesta al principio de este capítulo. El cambio de rapidez ∆v de la partícula durante el intervalo de tiem- po desde to a t es igual al área bajo la recta a(t) de la figura 2.12: cambio de rapidez = área rectángulo + área triángulo ta 2 1 toav ∆∆+∆=∆ Como se propuso, a es una función lineal de t de la forma a(t) = ao +k(t - to), entonces a(t) - ao = k(t - to), o bien ∆a = k∆t, reemplazando se tiene: 2 o )t(k 2 1 tav ∆+∆=∆ Observar que en este caso se tiene un método para describir un movimiento con aceleración variable (en este caso linealmente) en el tiempo. Figura 2.12 Ejemplo 2.5: En la figura 2.13 se muestra el gráfico rapidez/tiempo para una partícula que se mueve en dirección positiva del eje x. a) calcular el despla- zamiento de la partícula, b) hacer el gráfico aceleración/tiempo, c) determi- nar las ecuaciones de movimiento en cada intervalo de tiempo, d) calcular su posición en los instantes 5, 10 y 20 segundos.
  57. 57. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 58 Figura 2.13 Ejemplo 5. Solución. a) El desplazamiento es igual al área (A) bajo la curva v/t, que es conveniente calcular por intervalos de tiempo, entonces: st 50 <≤ : ( ) ms s m xA 50520 2 1 11 =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ =∆= st 105 <≤ : ( ) ms s m xA 10052022 =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ =∆= st 2010 ≤≤ : ( ) ( ) mssxA 15010 s m 1010 s m 10 2 1 33 =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ =∆= m30015010050xxxx 321T =++=∆+∆+∆=∆ b) Los valores de la aceleración que se pueden calcular de la pendiente del gráfico v/t en cada intervalo de tiempo, se indican en el gráfico a/t de la figura 2.14. Figura 2.14. Ejemplo 5, parte b). c) Determinación de las ecuaciones de movimiento, suponiendo que xo = 0 para to = 0.
  58. 58. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 59 st 50 <≤ : 22 o t2)t(xat 2 1 tv)t(x =⇒+= st 105 <≤ : ( ) ( ) ( )5t2050)t(x 5ta 2 1 5tv)5(x)t(x 2 o −+= ⇒−+−+= st 2010 ≤≤ : ( ) ( ) ( ) ( )2 2 o 10t 2 1 10t20150)t(x 10ta 2 1 10tv)10(x)t(x −−−+= ⇒−+−+= d) La posición en los instantes pedidos (y en cualquier otro tiempo) se puede calcular con las ecuaciones de movimiento anteriores para t = 5s: x(t) = 2t2 ⇒ x(5) = 2(5)2 = 50 m para t = 10s: x(t) = 50+20(t-5) ⇒ x(10)=50+20(10-5) = 150 m para t = 20s: x(t) = 150+20(t-10)- ½(t-10)2 ⇒ x(20) = 300 m Ejercicio: calcular la posición en los instantes 2.5, 8 y 15 segundos. 2.5 CUERPOS EN CAÍDA LIBRE. Un caso particular de movimiento en una dimensión, es aquel de los objetos que se mueven libremente en dirección vertical cerca de la superficie de la Tierra, que se conoce como movimiento de caída libre. Galileo (1564 – 1642), físico y astrónomo italiano, fue el primero en estudiar el movimiento de caída libre, al observar que dos cuerpos diferentes, al dejarlos caer desde la torre inclinada de Pisa, llegaban al suelo casi al mismo tiempo. Experimentalmente se demuestra que todos los cuerpos que se dejan caer cer- ca de la superficie de la Tierra, lo hacen con una aceleración aproximadamente constante. Esta aceleración, que se llama aceleración de gravedad, es produci- da por una fuerza que existe entre cuerpos con masa, llamada fuerza de atrac- ción gravitacional, cuyo origen será explicado en el Capítulo 9.
  59. 59. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 60 La aceleración de gravedad, que se denota por g r es un vector que apunta hacia el centro de la Tierra, su magnitud aumenta levemente al aumentar la latitud, es decir desde el ecuador hacia los polos, y disminuye al aumentar la altura sobre la superficie terrestre. Su valor medio en la superficie de la Tierra es aproximadamente de 9.8 m/s2 . Se dice que un objeto está en caída libre cuando se mueve bajo la influencia sólo de la aceleración de gravedad, despreciando la resistencia (es otra fuerza que se resiste al movimiento y que también será estudiada más adelante) que el aire opone a los cuerpos en movimiento, sin importar la velocidad inicial del objeto. Todos los cuerpos que se lanzan hacia arriba o hacia abajo, o se dejan caer, lo hacen libremente una vez que se dejan en libertad. La acele- ración que adquieren es siempre la aceleración de gravedad, vertical hacia abajo, cualquiera sea la dirección inicial del movimiento. Como el movimiento de caída libre es en una dimensión, con aceleración constante, se puede adoptar como dirección del movimiento al eje vertical y. Por lo tanto se pueden aplicar las ecuaciones para el movimiento en una di- mensión, tomando al eje y en la dirección del movimiento de caída, por con- vención positivo hacia arriba. Con esta convención, un movimiento de caída libre de ascenso o de descenso tiene una aceleración g negativa. También se debe tener en cuenta que si el cuerpo asciende (desciende) su velocidad será positiva (negativa) en este sistema de referencia. De está forma las ecuaciones de movimiento 2.7 y 2.8 se transforman en las ecuaciones para caída libre: ( )2 2 1 ooyo ttgvyy −−+= rrrr (2.9) ( )ooyy ttgvv −−= rrr (2.10) Los gráficos posición/tiempo, velocidad/tiempo y aceleración/tiempo para una partícula que se lanza verticalmente hacia arriba, desde una posición inicial yo, que no tiene porque ser el suelo, son los que se muestran en la figura 2.15
  60. 60. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 61 Figura 2.15. Gráficos y/t, vy/t y a/t, para a = -g Ejemplo 2.6: Tito lanza una piedra hacia arriba desde la terraza de un edifi- cio de 50 m de alto, con una rapidez inicial de 20 m/s. Cuando está cayendo la piedra pasa justo por el costado del edificio. Calcular a) el tiempo para que la piedra alcance su altura máxima, b) la altura máxima, c) el tiempo que tarda en pasar por el punto inicial, d) la velocidad de la piedra en ese instan- te, e) el tiempo que tarda en llegar al suelo, f) la velocidad en ese instante. Solución: Considerando un sistema de referencia que se muestra en la figura 2.16, con el eje y positivo vertical hacia arriba y el origen yo = 0 donde co- mienza el movimiento de la piedra, con to = 0 y vo = 20 m/s. a) Cuando la piedra alcanza la máxima altura v = 0: s2 10m/s m/s20 0)( 2 ==⇒=⇒=−= tgtvgtvtv oo b) Se pide evaluar y(t) para t = 2 s 2 )( 2 1 )( oooyo ttgttvyy −−−+= rrrr ⇒ 2 2 1 gttvy o −= ( ) ( )( ) mssyy 202m/s10 2 1 )2(m/s20)2( 22 max =−== Figura 2.16
  61. 61. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 62 c) Cuando pasa por el punto inicial y = 0 ⇒ s g v tgtvt tgtvgttvy o o oo 4 10 )20)(2(2 0 2 1 y0 0 2 1 0 2 1 1 2 ===⇒=−= ⇒=⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −⇒=−= d) Hay que evaluar v para t = 4s s m 20)4)(10(20)4()( −=−=⇒−= vgtvtv o e) En esta posición y = -50 m ⇒ ststtt ttgttvy o 7.1y7.50104 52050 2 1 21 2 22 −==⇒=−− −=−⇒−= Se descarta el tiempo negativo, porque físicamente no es posible. f) s m 37)7.5)(10(20)7.5()( −=−=⇒−= vgtvtv o 2.5.1 Efectos de g en las personas. La capacidad de una persona para soportar una aceleración depende tanto de la magnitud como de la duración de ésta. Debido a la inercia de la sangre y de los órganos dilatables, las aceleraciones pequeñas tienen poca importancia si duran sólo fracciones de segundo. El límite de tolerancia se encuentra cercano a 10g y depende de la resistencia estructural de los cuerpos. La mayoría de las personas han experimentado aceleraciones verticales moderadas en los ascensores. La sangre circula por vasos dilatables de manera que cuando el cuerpo es acelerado hacia arriba, la sangre se acumula en la parte inferior de éste. Cuando la aceleración es hacia abajo, aumenta el volumen de sangre en la parte superior del cuerpo, a su vez los órganos internos no se mantienen rí-
  62. 62. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 63 te superior del cuerpo, a su vez los órganos internos no se mantienen rígidos en su sitio y su desplazamiento durante la aceleración puede producir sensa- ciones desagradables. Cuando un avión despega, aterriza o realiza giros muy rápidos, está sometido a aceleraciones de hasta 9g. El grado de tolerancia de un humano a esta acele- ración dependerá entre otros factores del peso, edad y condición física de la persona. A modo de ejemplo, un piloto que en tierra pesa 80 kilos, cuando es sometido a este valor de aceleración siente repentinamente que su peso es al- rededor de 720 kilos. Esta misma aceleración hace que la sangre fluya hacia los pies del piloto, esto disminuye el retorno venoso al corazón con lo cual la presión baja y el piloto puede perder la visión temporalmente, para luego per- der la conciencia. También existen aceleraciones negativas durante el vuelo en la cual el piloto experimenta la aceleración en posición invertida. En ese caso la aceleración hace que la sangre fluya al cerebro, el piloto sufre de palidez y su visión se torna roja. Estudios han determinado que los humanos pueden soportar hasta 9g de acele- raciones positivas y 3g para aceleraciones negativas. Un piloto que viaja en aviones modernos que incluso alcanzan velocidades cercanas a la del sonido, podría detenerse sin peligro en una distancia aproximada de 200 m, pero si esta velocidad fuese unas 100 veces mayor (valores que pueden ser alcanzados en viajes interplanetarios), la distancia de frenado que necesitaría para no pro- ducir efectos nocivos en sus tripulantes debe ser de aproximadamente 16000km. La razón de esta diferencia está en que la cantidad total de energía que se disipa durante la desaceleración es proporcional al cuadrado de la velo- cidad, lo que es suficiente para aumentar la distancia unas 10000 veces. Por esta razón se han creado procedimientos y aparatos especiales para proteger a los pilotos del colapso circulatorio que aparece durante aceleraciones positi- vas. Primero, si el piloto aprieta sus músculos abdominales en grado extremo y se inclina hacia adelante para comprimir el abdomen, puede evitar la acumulación de sangre en los grandes vasos abdominales, evitando así la perdida de conciencia. Además se han diseñado trajes “anti-g” para prevenir el estancamiento de sangre en la parte más baja del abdomen y las piernas. Este tipo de traje aplica una presión positiva en piernas y abdomen, inflando compartimientos de aire a medida que aumenta la aceleración positiva. Además el cuerpo humano presenta de 1 a 2 cm de tejido blando externo, lo que aumenta la distancia de desaceleración y por lo tanto disminuye la fuerza de impacto, por ejemplo, durante una caída.
  63. 63. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 64 PROBLEMAS. 2.1 Cuando Carlos viaja en una autopista, pasa por la marca de 260 km. Después sigue moviéndose hasta la marca de 150 km. y luego se de- vuelve hasta la marca 175 km. ¿Cuál es su desplazamiento resultante respecto a la marca de 260 km.? R: –85 km. 2.2 Un gato negro se encuentra en una posición final de 3.6 m en dirección 240º respecto a x, después de realizar un desplazamiento de 120 cm en 135º respecto de x. Determine su posición inicial. R: 4.1m, 256.5º. 2.3 La luz del Sol llega a la Tierra en 8.3 min. La rapidez de la luz es de 3 x 108 m/s. Calcular la distancia de la Tierra al Sol. R: 1.5 x 1011 m. 2.4 Usted y un amigo conducen recorriendo 50 km. Usted viaja a 90 km/h y su amigo a 95 km/h. ¿Cuánto tiempo tiene que esperarlo su amigo al fi- nal del viaje? R: 1.8 min. 2.5 Ana conduce calle abajo a 55 km/h. Repentinamente un niño atraviesa la calle. Si Ana demora 0.75 s en reaccionar y aplicar los frenos, ¿cuántos metros alcanza a moverse antes de comenzar a frenar? R: 11 m. 2.6 Las condiciones de movimiento de una partícula que se mueve en direc- ción x son 2 m/sˆ4,m/sˆ3,ˆ7 iaivmix oo −=−== rrr , en el instante inicial t0 = 0. a) Escribir las ecuaciones vectoriales de la posición y velocidad del cuerpo en cualquier instante. b) Calcular la posición del cuerpo res- pecto al origen a los 10 s de iniciado el movimiento. c) Averiguar si el cuerpo se detiene en algún instante. R: b) –223i m, c) no. 2.7 Una partícula se mueve a lo largo del eje x de acuerdo con la ecuación x(t)=(3t2 -2t+3)m. Calcular a) la rapidez promedio entre t = 2s y t = 3s, y b) la velocidad instantánea en t = 2s y t = 3s, c) la aceleración prome- dio entre t = 2s y t = 3s y d) la aceleración instantánea en t = 2s y t = 3s. 2.8 Una partícula se mueve a lo largo del eje x de acuerdo con la ecuación x(t)=2+3t-t2 , donde x está en metros y t en segundos. Para t=3s, calcular a) la posición de la partícula , b) su velocidad c) su aceleración. R: a) 2m, b) –3m/s, c) –2m/s2 .
  64. 64. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 65 2.9 Las ecuaciones de movimiento para dos partículas A y B que se mueven en la misma dirección son las siguientes (x en m y t en s). 2 2 1.45.829)( 2062.3)( tttx tttx B A −+= −−= Calcular: a) el instante para el cual las posiciones de A y B coinciden, b) las velocidades de A y B en el instante en que se encuentran en la misma posición.R: a) 3.8s, b) 18.3 m/s, -22.7 m/s. 2.10 Un electrón en un tubo de rayos catódicos acelera de 2x104 m/s hasta 6x106 m/s en 1.5cm. a) ¿Cuánto tiempo tarda el electrón en recorrer esta distancia? b) ¿Cuál es su aceleración? 2.11 Un electrón tiene una velocidad inicial de 3x105 m/s. Si experimenta una aceleración de 8x1014 m/s2 , a) ¿Cuánto tardara en alcanzar una velocidad de 5.4x105 m/s, y b) qué distancia recorre en ese tiempo? 2.12 Determine la velocidad final de un protón que tiene una velocidad ini- cial de 2.35 x 105 m/s, y es acelerado uniformemente en un campo eléc- trico a razón de –1.10x1012 m/s2 durante 1.5x10-7 s. R: 7.0 x 104 m/s. 2.13 Un jet supersónico que vuela a 145 m/s acelera uniformemente a razón de 23.1 m/s2 durante 20s. a) ¿Cuál es su velocidad final? b) La rapidez del sonido en el aire es 331 m/s. ¿Cuántas veces mayor es la velocidad final del avión comparada con la del sonido? R: a) 607 m/s, b) 1.83 ve- ces la rapidez del sonido. 2.14 Dos autos A y B se mueven en línea recta en dirección positiva del eje x. En el instante inicial A está en reposo y acelera con 2m/s2 . El movi- miento de B es con rapidez constante de 20m/s. Calcular: a) la distancia que recorren en un minuto, b) el tiempo que demoraría A en igualar la rapidez de B, c) la distancia que los separa cuando sus rapideces son iguales, d) la aceleración que debería ejercerse sobre B para que pudiera detenerse en 4 s. R: a) 3600m, 1200 m, b) 10 s, c) 100 m, d) –5 m/s2 .
  65. 65. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 66 2.15 Un auto que se mueve con aceleración constante recorre en 6 s la distan- cia de 60 m que separa dos puntos; su rapidez al pasar por el segundo punto es de 14 m/s. Calcular: a) la aceleración del auto, b) su velocidad al pasar por el primer punto, c) la posición donde se encontraba en repo- so. R: a) 4/3 m/s2 , b) 6 m/s, c) –14.4m. 2.16 Dos autos viajan a lo largo de una carretera recta. En el instante t = 0h, el auto A tiene una posición xA = 48 km y una rapidez constante de 36 km/h. Más tarde en t=0.5h, el auto B está en la posición xB=0 km con una rapidez de 48 km/h. Responda las siguientes preguntas: primero, gráficamente, haciendo una gráfica de posición versus tiempo; segundo, algebraicamente, escribiendo las ecuaciones para las posiciones xA y xB en función del tiempo t. a) ¿Cuál es la lectura del cronómetro cuando el auto B sobrepasa al auto A? b) ¿En qué posición A es alcanzado por B? c) ¿Cuánto tiempo transcurre desde que A estaba en su punto de refe- rencia hasta que B lo alcanza? R: a) 6 h, b) 260 km, c) 7.3 h. 2.17 Un auto y un tren se mueven al mismo tiempo a lo largo de trayectorias paralelas a 25m/s. Debido a una luz roja el auto experimenta una acele- ración uniforme de –2.5m/s2 y se detiene. Permanece en reposo durante 45s, después acelera hasta una velocidad de 25m/s a una tasa de 25m/s2 . ¿A qué distancia del tren está el auto cuando alcanza la velocidad de 25m/s, suponiendo que la velocidad del tren se ha mantenido en 25m/s? 2.18 Una partícula parte desde el reposo de la parte superior de un plano in- clinado y se desliza hacia abajo con aceleración constante. El plano in- clinado tiene 2m de largo, y la partícula tarda 3s en alcanzar la parte in- ferior. Determine a) la aceleración de la partícula, b) su velocidad en la parte inferior de la pendiente, c) el tiempo que tarda la partícula en al- canzar el punto medio del plano inclinado, y d) su velocidad en el punto medio. R: a) 0.44m/s2 , b) 1.3m/s, c) 2.1s, d) 0.94m/s. 2.19 Dos trenes expresos inician su recorrido con una diferencia de 5 min. A partir del reposo cada uno es capaz de alcanzar una velocidad máxima de 160km/h después de acelerar uniformemente en una distancia de 2km. a) ¿Cuál es la aceleración de cada tren? b) ¿A que distancia está el pri- mer tren cuando el segundo inicia su trayecto? c) ¿Qué tan separados se encuentran cuando ambos viajan a máxima velocidad?
  66. 66. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 67 2.20 Un automóvil que se mueve a una velocidad constante de 30m/s pierde velocidad repentinamente en el pie de una colina. El auto experimenta una aceleración constante de –2 m/s2 (opuesta a su movimiento) mien- tras efectúa el ascenso. a) escriba ecuaciones para la posición y la velo- cidad como funciones del tiempo considerando x = 0 en la parte inferior de la colina, donde vo = 30m/s. b) Determine la distancia máxima reco- rrida por el auto después de que pierde velocidad. R: a) –30t-t2 , -30-2t b) 225m. 2.21 Paco manejando a 30m/s entra en un túnel de una sola pista. Después observa una camioneta que se mueve despacio 155m adelante viajando a 5m/s. Paco aplica sus frenos pero puede desacelerar sólo a 2m/s2 , debido a que el camino está húmedo. ¿Chocará? Si es así, calcular a qué distan- cia dentro del túnel y en qué tiempo ocurre el choque. Si no choca, cal- cular la distancia de máximo acercamiento entre el auto de Paco y la camioneta. R: 11.4s, 212m. 2.22 Una bala indestructible de 2cm de largo se dispara en línea recta a través de una tabla que tiene 10cm de espesor. La bala entra en la tabla con una velocidad de 420m/s y sale con una velocidad de 280m/s. a) ¿Cuál es la aceleración promedio de la bala a través de la tabla? b) ¿Cuál es el tiem- po total que la bala está en contacto con la tabla? c) ¿Qué espesor de la tabla se requeriría para detener la bala? 2.23 Un africano que se encuentra a 20 m de un león hambriento arranca con una rapidez constante de 36 km/hr, alejándose en línea recta del león, que está inicialmente detenido. El león tarda 2 segundos en reaccionar cuando empieza a perseguir al africano con una aceleración de 4 m/s2 , siempre en línea recta hacia el africano, que huye hacia un árbol que se encuentra más adelante en la misma recta. a) Hacer un esquema ilustra- tivo de la situación. b) ¿Cuál debe ser la máxima distancia a la que debe estar el árbol para que el africano pueda subirse justo antes que el león lo alcance? c) Calcular la rapidez con la que el león llega al árbol. R: b) 116m, c) 30.4 m/s. 2.24 Un camión se mueve a 90 km/hr en una carretera recta. Cuando se encuentra a 70 m de un árbol atravesado en la carretera, el conductor se da cuenta de ello, tardando 0.5 s en reaccionar y presionar los frenos del camión que le imprimen una aceleración de –5 m/s2 . Determinar si el
  67. 67. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 68 camión choca o no con el árbol cruzado en la carretera. R: si a 25.5 km/h. 2.25 Dos autos se aproximan uno al otro; ambos se mueven hacia el oeste, uno a 78 km/h y el otro a 64 km/h. a) ¿Cuál es la velocidad del primer auto relativa al (en el sistema de referencia del) segundo auto? b) ¿Cam- bian su velocidad relativa después de que el uno sobrepasa al otro? R: a) 14km/h, oeste, b) no. 2.26 En la figura 2.17 se muestra el gráfico rapidez/tiempo para una partícula que se mueve en dirección del eje x. a) Dibujar el gráfico posi- ción/tiempo, b) calcular el desplazamiento de la partícula, c) hacer el gráfico aceleración/tiempo, d) calcular su posición en los instantes 5, 10, 20, 25, 30 y 40 segundos, e) calcular el cambio de rapidez en los inter- valos 0 y 5, 5 y 20, 20 y 25, 25 y 40 segundos. Figura 2.17. Problema 2.26. 2.27 Dos autos viajan a lo largo de una línea en la misma dirección, el que va adelante a 25m/s y el otro a 30m/s. En el momento en que los autos es- tán a 40m de distancia, el conductor del auto delantero aplica los frenos de manera que el vehículo acelera a –2 m/s2 . a) ¿Cuánto tiempo tarda el carro para detenerse? b) suponiendo que el carro trasero frena al mismo tiempo que el carro delantero, ¿Cuál debe ser la aceleración negativa mínima del auto trasero de manera que no choque con el auto delantero? c) ¿Cuánto tiempo tarda en detenerse el auto trasero? R: a) 1.25s, b) – 2.3m/s2 c) 13.1s.
  68. 68. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 69 2.28 Un automovilista conduce por un camino recto a una velocidad constan- te de 15m/s. Cuando pasa frente a un policía motociclista estacionado, éste empieza a acelerar a 2 m/s2 para alcanzarlo. Suponiendo que el po- licía mantiene esta aceleración, determine a) el tiempo que tarda el poli- cía en alcanzar al automovilista, encuentre b) la velocidad y c) el des- plazamiento total del policía cuando alcanza al automovilista. 2.29 Dos objetos se conectan mediante una barra rígida de longitud L. Los objetos deslizan a lo largo de rieles perpendiculares, como se muestra en la figura 2.18. Si el que está en el eje x se desliza hacia la izquierda con rapidez constante vo, calcular la rapidez del otro cuando α = 60°. R: 0.58vo. Figura 2.18 Problema 2.29. 2.30 Un tren viaja de la siguiente manera: en los primeros 60 minutos se des- plaza con velocidad v, en los siguientes 30 minutos lleva una velocidad de 3v, en los 90 minutos que le siguen viaja con una velocidad v/2; en los 120 minutos finales, se mueve con una velocidad de v/3. a) Dibuje la gráfica velocidad-tiempo para este recorrido. b) ¿Qué distancia recorre el tren en el viaje? c) ¿Cuál es la velocidad promedio del tren en el viaje completo? 2.31 Un tren puede minimizar el tiempo t entre dos estaciones acelerando a razón de a1= 0.1 m/s2 por un tiempo t1 y después experimenta una acele- ración negativa a1 = -0.5 m/s2 cuando el maquinista usa los frenos du- rante un tiempo t2. Puesto que las estaciones están separadas sólo por 1km, el tren nunca alcanza su velocidad máxima. Encuentre el tiempo mínimo de viaje t y el tiempo t1. R: 155s, 129s.
  69. 69. Cap. 2 Movimiento en una dimensión. 70 2.32 Cuando un semáforo cambia a verde, un auto arranca con una acelera- ción constante de 6 m/ss . En el instante en que comienza a acelerar es sobrepasado por un camión con una velocidad constante de 21 m/s. a) ¿Qué distancia recorre el auto antes de alcanzar el camión? b) ¿Qué ve- locidad tendrá el auto cuando alcance el camión? R: 150 m, b) 42 m/s 2.33 El conductor de un auto que viaja a 90 km/h súbitamente ve las luces de una barrera que se encuentra 40 m adelante. Transcurren 0.75 s antes de qué él aplique los frenos; la aceleración media durante la frenada es –10 m/s2 . a) Determine si el carro choca contra la barrera. b) ¿Cuál es la ra- pidez máxima a la cual puede viajar el auto para no chocar contra la ba- rrera? Suponga aceleración constante. R: a) Si, golpea la barrera, b) 22 m/s. 2.34 Con el fin de proteger su alimento de osos, un boy scout eleva su paque- te de comida, de masa m, con una cuerda que lanza sobre la rama de un árbol de altura h. El scout camina alejándose de la cuerda vertical con velocidad constante vs mientras sostiene en sus manos el extremo libre. a) Hacer un esquema de la situación. b) Demuestre que la velocidad vp del paquete de comida es s 2/122 v)hx(x − + , donde x es la distancia que el muchacho ha caminado alejándose de la cuerda vertical. c) Demuestre que la aceleración ap del paquete de comida es 2 s 2/3222 v)hx(h − + . d) ¿Qué valores de la aceleración y la velocidad se tienen después que él se aleja de la cuerda vertical? e) ¿A qué valores se aproximan la velocidad y la aceleración cuando la distancia x continúa aumentando? 2.35 Un objeto se mueve en un medio donde experimenta una aceleración de resistencia al movimiento proporcional a su rapidez, esto es a = -kv, donde k es una constante positiva igual a 0.5 s-1 . a) Calcular la rapidez y posición del objeto en cualquier instante. b) Si para t = 0 el objeto se encuentra en el origen moviéndose con una rapidez de 10 m/s, calcular la posición donde se detiene. R: b) 20 m. NOTA: En algunos problemas de caída libre, se usa g = 10 m/s2

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