FÍSICA

El método científico

 La ciencia es un proceso que busca encontrar la explicación a ciertos fenómenos, utilizando para ello (en la mayoría de los casos) experimentos cuyo objetivo es contestar preguntas. A este proceso se le denomina método científico, y comprende tres etapas: observación, hipótesis y experimentación.

¿En qué consiste el método científico?

Aristóteles.

Entonces conozcamos las tres etapas del método científico:

Observación

El primer paso del método científico tiene lugar cuando se hace una observación a propósito de algún evento o característica del mundo. Esta observación puede inducir una pregunta sobre este evento o característica.

Ejemplo: ¿Por qué debemos mantener limpio nuestro cuerpo?

Hipótesis

Tratando de contestar la pregunta realizada en la etapa de observación, el científico formula una hipótesis o respuesta provisoria.

Ejemplo: Las personas que se lavan frecuentemente presentan menos enfermedades a la piel.

Experimentación

De todos los pasos en el método científico, el que verdaderamente separa la ciencia de otras disciplinas es el proceso de experimentación. Para comprobar o refutar una hipótesis, el científico diseñará un experimento para probar esa hipótesis. En el caso de nuestro ejemplo, esto se puede hacer comparando dos grupos de personas: uno, donde sus integrantes lavan diariamente su cuerpo; y otro donde sólo lo hacen escasamente. Si se comprueba que las personas que lavan su cuerpo con frecuencia tienen menos enfermedades a la piel, entonces nuestra hipótesis habrá sido confirmada y se podrá considerar como verdadera.

Cómo ves, no es tan complicado aplicar el método científico. De hecho son muchas las veces en que lo hacemos sin darnos cuenta. Aquí te contaremos la experiencia de un niño que, jugando con burbujas de jabón, aplicó el método científico.

Un día tomó un pedazo de tubo, mezcló un poco de agua con jabón, sopló y vio cómo se formaban las burbujas (observación). De pronto se dio cuenta de que el contorno del tubo era redondo y pensó que seguramente por eso las burbujas también tenían dicha forma (hipótesis). Buscó una caja pequeña cuyo borde era cuadrado, sopló (experimentación) y las burbujas volvieron a salir redondas, con lo que descartó lo que había pensado sobre la forma de las burbujas.

MAGNITUD FÍSICA 

        MAGNITUD ES TODA PROPIEDAD O COMPORTAMIENTO DE LA MATERIA QUE PUEDE SER MEDIDA ¿CUÁLES EJEMPLOS PODRÍAMOS DAR?LA TEMPERATURA, EL TIEMPO, LA VELOCIDAD, LA MASA MEDIDA ES EL RESULTADO OBTENIDO AL MEDIR UNA MAGNITUD FÍSICA ESTÁ FORMADA POR UN VALOR NUMÉRICO Y UNA UNIDAD. EJEMPLOS: 5 m; 60,567 kg

 EN MECÁNICA CLÁSICA ESTAS MAGNITUDES SON: LONGITUD - MASA - TIEMPO MAGNITUD DERIVADA: AQUELLA QUE SE DEFINE A PARTIR DELAS MAGNITUDES FUNDAMENTALES  v = v0 + at EJEMPLOS: VELOCIDAD - FUERZA - PRESIÓN   F = ma.

CLASIFICACIÓN DE LAS MAGNITUDES FÍSICAS MAGNITUD ESCALAR: AQUELLA QUE SE DEFINE COMPLETAMENTE CON UN NÚMERO Y UNA UNIDAD PUEDE SER: POSITIVA, NEGATIVA O NULA EJEMPLOS: TIEMPO – TEMPERATURA – MASA MAGNITUD VECTORIAL: AQUELLA QUE PARA DEFINIRLA POR COMPLETO, ES NECESARIO ASOCIARLE UNA DIRECCIÓN Y UN SENTIDO, ADEMÁS DEL NÚMERO Y LA UNIDAD EJEMPLOS: VELOCIDAD - FUERZA - CAMPO ELÉCTRICO 

SISTEMAS DE UNIDADES 

        PROCESOS DE MEDICIÓN La física es una ciencia experimental. Estudia los procesos del mundo físico y establece un cierto numero limitado de leyes con las cuales se puede explicar la mayor variedad posible de los fenómenos observados y predecir el resultado de experiencias nuevas. Que sea ciencia experimental significa que los fenómenos en análisis deben observarse y medirse. Cualquier aseveración en física, la cual no sea comprobable experimentalmente, carece de sentido. Vamos a analizar el proceso de medición: proceso fundamental para la ingeniería. El proceso de medición es un proceso físico, una operación física experimental, en la que intervienen necesariamente tres sistemas: • El sistema objeto al cual queremos medir.- • El sistema de medición o aparato de medición.- • El sistema de comparación, que definimos como unidad, y que suele venir unido o estar incluido en el aparato o instrumento de medición. Por ejemplo: en el llamado “medición de longitud” interviene: • El objeto cuya medición queremos medir.- • El instrumento, por ejemplo, una regla. • La unidad (cierta escala marcada en la misma regla, o en cierta barra patrón). Para definir unívocamente el proceso de medición es necesario dar además la técnica mediante la cual deben ponerse en interacción el sistema objeto, el aparato de medición y la unidad. En particular, el proceso físico correspondiente a esta técnica, realizado entre el aparato de medición y la unidad, se denomina “calibración” del aparato. Por ejemplo: la técnica para medición de longitudes sería: tómese un cierto instrumento denominado regla, en la que están marcadas ciertos números de divisiones; hágase coincidir la primera división de la regla con el extremo del objeto cuya longitud se quiere determinar; determínese la división que coincide con el otro extremo del objeto. Por otra parte, realícese el mismo procedimiento con el objeto que se definió como unidad (calibración de la regla). Medir temperaturas significa: tomar un instrumento llamado termómetro, ponerlo en contacto térmico con el sistema que queremos medir, esperar que se establezca el equilibrio térmico, medir la longitud de la columna de mercurio, etc... Medir el peso de un cuerpo significa: tomar el cuerpo, ponerlo sobre el platillo de un instrumento llamado balanza, colocar pesos unidad en el otro platillo hasta equilibrar la balanza, leer el numero de pesos unidad. Cada proceso de medición define lo que se llama una magnitud física. 

 ¿QUE ES CINEMÁTICA?

          La cinemática es una rama de la física dedicada al estudio del movimiento de los cuerpos en el espacio, sin atender a las causas que lo producen (lo que llamamos fuerzas). Por tanto la cinemática sólo estudia el movimiento en sí, a diferencia de la dinámica que estudia las interacciones que lo producen. El Análisis Vectorial es la herramienta matemática más adecuada para ellos.En cinemática distinguimos las siguientes partes: Cinemática de la partícula Cinemática del sólido rígido La magnitud vectorial de la Cinemática fundamental es el "desplazamiento" Δs, que experimenta un cuerpo durante un lapso Δt. Como el desplazamiento es un vector, por consiguiente, sigue la ley del paralelogramo, o la ley de suma vectorial. Así si un cuerpo realiza un desplazamiento "consecutivo" o "al mismo tiempo" dos desplazamientos a y b,nos da un deslazamiento igual a la suma vectorial de a+b como un solo desplazamiento.

                          La Posición

Si hemos acordado llamar movimiento al cambio de la posición con el tiempo, será necesario establecer un criterio para determinar qué posición ocupa un cuerpo en un instante.

Se trata, de nuevo, de establecer un sistema de referencia adecuado para lo que necesitamos estudiar.

Una dimensión

Imagina que tenemos un cuerpo que se mueve por una recta, es decir que realiza un movimiento en una dimensión. Para determinar su posición sólo necesitamos indicar a qué distancia del origen se encuentra. 

Dos dimensiones

Si el cuerpo realiza un movimiento en dos dimensiones, es decir se mueve por un plano, necesitaremos dos coordenadas para determinar la posición que ocupa en un instante dado.

Los dos valores que determinan la posición de un cuerpo en un plano podemos establecerlos utilizando como referencia un sistema de coordenadas cartesianas o un sistema de coordenadas polares.

En el caso de las coordenadas cartesianas se utilizan las distancias a los dos ejes acompañadas de los signos (+) ó (-).

En la figura de la izquierda aparece representado el punto P(3,2). Para evitar confusiones se tiene el acuerdo de escribir primero la coordenada x y después la coordenada y, separadas por una coma.

El signo negativo para la coordenada x se utiliza si el punto se encuentra a la izquierda del orígen y para la coordenada y cuando está por debajo del orígen.

Las coordenadas polares utilizan la longitud de la recta que une nuestro punto con el punto de referencia y el ángulo que forma esta recta con la horizontal.

En la figura de la izquierda se representa el punto P(3 , 45°), que significa que la distancia OP vale 3 y que el ángulo  vale 45°

Tres dimensiones

En el caso de un cuerpo que siguiera una trayectoria de tres dimensiones, necesitaríamos tres coordenadas para determinar su posición en un instante dado.

También en este caso se pueden utilizar coordenadas polares y coordenadas cartesianas.

El tiempo es la cuarta dimensión

Como el movimiento es el cambio de la posición con el tiempo, además de conocer la posición, nos interesa saber el instante en el que el cuerpo ocupa dicha posición

Si representamos el conjunto de las diferentes posiciones que ocupa un móvil a lo largo del tiempo, obtenemos un línea llamada trayectoria.

Trayectoria

Hemos dicho en el apartado anterior que la trayectoria es la línea formada por las sucesivas posiciones por las que pasa un móvil.

Parece razonable que podamos hacer una primera clasificación de los movimientos utilizando como criterio la forma de su trayectoria:

Tipos de Movimientos	Tipos de trayectorias
de una dimensión	Líneas rectas
de dos dimensiones	Líneas curvas planas
de tres dimensiones	Líneas curvas no planas

Movimientos rectilíneos

Podemos decir que son los movimientos cuya trayectoria es una línea recta.

En éstas páginas hacemos un estudio de este tipo de movimientos y analizamos cuáles son sus características.

Una de las características que nos permiten describir un movimiento es la dirección de su velocidad, que puede cambiar o no. Para estudiar los cambios en la dirección de la velocidad utilizamos una magnitud llamada aceleración normal o centrípeta.

Como en los movimientos rectilíneos no cambia la dirección, podemos decir que se trata de movimientos en los que la aceleración normal es cero.

Movimientos curvilíneos

Ya has visto en la tabla anterior que podemos distinguir entre dos tipos de movimientos curvilíneos: los de dos dimensiones y los de tres dimensiones.

Como algunas de las curvas son muy conocidas, solemos asociar el nombre de algunos movimientos con la forma de su trayectoria.

Así, podemos citar:

• Movimientos circulares
  
• Movimientos elípticos
  
• Movimientos parabólicos
  

Distancia y Desplazamiento

En el lenguaje ordinario los términos distancia y desplazamiento se utilizan como sinónimos, aunque en realidad tienen un significado diferente.

La distancia recorrida por un móvil es la longitud de su trayectoria y se trata de una magnitud escalar.

Aceleración

Los conceptos de velocidad y aceleración están relacionados, pero muchas veces se hace una interpretación incorrecta de esta relación.
Muchas personas piensan que cuando un cuerpo se mueve con una gran velocidad, su aceleración también es grande; que si se mueve con velocidad pequeña es porque su aceleración es pequeña; y si su velocidad es cero, entonces su aceleración también debe valer cero. ¡Esto es un error!
La aceleración relaciona los cambios de la velocidad con el tiempo en el que se producen, es decir que mide cómo de rápidos son los cambios de velocidad:

• Una aceleración grande significa que la velocidad cambia rápidamente.
• Una aceleración pequeña significa que la velocidad cambia lentamente.
• Una aceleración cero significa que la velocidad no cambia.

La aceleración nos dice cómo cambia la velocidad y no cómo es la velocidad. Por lo tanto un móvil puede tener un velocidad grande y una aceleración pequeña (o cero) y viceversa.
Como la velocidad es una magnitud que contempla la rapidez de un móvil y su dirección, los cambios que que se produzcan en la velocidad serán debidos a variaciones en la rapidez y/o en la dirección.

La aceleración es una magnitud vectorial que relaciona los cambios en la velocidad con el tiempo que tardan en producirse. Un móvil está acelerando mientras su velocidad cambia.

En Física solemos distinguir ambos tipos de cambios con dos clases de aceleración: tangencial y normal.
La aceleración tangencial para relacionar la variación de la rapidez con el tiempo y la aceleración normal (o centrípeta) para relacionar los cambios de la dirección con el tiempo.
Normalmente, cuando hablamos de aceleración nos referimos a la aceleración tangencial y olvidamos que un cuerpo también acelera al cambiar su dirección, aunque su rapidez permanezca constante.
Como estas páginas están dedicadas al estudio de los movimientos rectilíneos, y en ellos no cambia la dirección, sólo vamos a referirnos a la aceleración tangencial. Pero recuerda: ¡si el movimiento es curvilíneo, no podemos olvidarnos de la aceleración normal!
Una característica de los cuerpos acelerados es que recorren diferentes distancias en intervalos regulares de tiempo:

Intervalo	Rapidez media durante el intervalo	Distancia recorrida durante el intervalo	Distancia total (desde t = 0)
0 - 1 s	5 m/s	5 m	5 m
1 s - 2 s	15 m/s	15 m	20 m
2 s - 3 s	25 m/s	25 m	45 m
3 s - 4 s	35 m/s	35 m	80 m

Observa que al ser diferente la rapidez media de cada intervalo, la distancia recorrida durante el mismo es también diferente.

Aceleración constante

La tabla anterior muestra datos de un movimiento de caída libre, donde observamos que la rapidez cambia en 10 m/s cada segundo, es decir que tiene una aceleración de 10 m/s/s o 10 m/s².

Como el cambio de la velocidad en cada intervalo es siempre el mismo (10 m/s/s), se trata de unmovimiento de aceleración constante o uniformemente acelerado.

Otra conclusión que podemos sacar de los datos anteriores es que la distancia total recorrida es directamente proporcional al cuadrado del tiempo. Observa que al cabo de 2 s la distancia total recorrida es cuatro (2²) veces la recorrida en el primer segundo; a los 3 s la distancia recorrida es nueve (3²) veces mayor que la del primer segundo y a los 4 s es 16 veces (4²) esa distancia.

Los cuerpos que se mueven con aceleración constante recorren distancias directamente proporcionales al cuadrado del tiempo.

Aceleración media

La aceleración (tangencial) media de un móvil se calcula utilizando la siguiente ecuación:

Con ella calculamos el cambio medio de rapidez en el intervalo de tiempo deseado.

Para conocer la aceleración instantánea se puede utilizar la misma aproximación que hicimos para el caso de la velocidad instantánea: tomar un intervalo muy pequeño y suponer que la aceleración media en él equivale a la aceleración instantánea.

Unidades

Como puedes deducir de la ecuación anterior, la aceleración se expresa en unidades de velocidad dividida entre unidades de tiempo. Por ejemplo:

• 3 (m/s)/s
• 1 (km/h)/s
• 5 (cm/s)/min

En el Sistema Internacional, la unidad de aceleración es 1 (m/s)/s, es decir 1 m/s².

Dirección de la aceleración

Como la aceleración es una magnitud vectorial, siempre tendrá asociada una dirección. La dirección del vector aceleración depende de dos cosas:

• de que la rapidez esté aumentando o disminuyendo
• de que el cuerpo se mueva en la dirección + o - .

El acuerdo que hemos tomado es:

Si un móvil está disminuyendo su rapidez (está frenando), entonces su aceleración va en el sentido contrario al movimiento.
Si un móvil aumenta su rapidez, la aceleración tiene el mismo sentido que la velocidad.

Este acuerdo puede aplicarse para determinar cuándo el signo de la aceleración es positivo o negativo, derecha o izquierda, arriba o abajo, etc.

• ¿QUÉ ES UNA FUERZA?
•                  A través de la fuerza se hace posible el cambio de estado de reposo o movimiento de los cuerpos, o de deformarlos temporal o permanentemente. Permite provocar aceleraciones positivas o negativas en los cuerpos.
• SON LAS FUERZAS QUE ORIGINAN MOVIMIENTOS. SON FUERZAS CONTRARIAS,PUESTO QUE TIENEN A IMPEDIR EL MOVIMIENTO. EXISTEN DOS TIPOS:
•  Algunos ejemplos de los efectos que producen las fuerzas sobre los cuerpos: Deformaciones: Cuando aplicamos una fuerza sobre un objeto elástico, se produce una deformación en el objeto. Así ocurre, por ejemplo, si intentamos aplastar un objeto de goma espuma, si estiramos un muelle, o al doblar una varilla metálica. Aceleraciones: Las fuerzas también pueden producir aceleraciones en los cuerpos. Por ejemplo, cuando aplicamos una fuerza sobre un balón para lanzarlo a canasta, el balón cambia su velocidad, es decir, adquiere una cierta aceleración. Así ocurre también cuando empujamos un objeto, cuando lanzamos una piedra a un estanque o cuando abrimos una puerta.
• fuerza de contacto Las fuerzas de contacto son ciertos tipos de fuerzas que se presentan en los objetos que interactúan y que están físicamente en contacto .
•  Tipos de fuerza de contacto La fuerza normal La fuerza de rozamiento Fuerza de tensión
• Fuerza normal Un cuerpo situado sobre una superficie experimenta una fuerza ejercida por ésta. Dicha fuerza se denomina fuerza normal que es perpendicular a la superficie que la ejerce.
•  ¿Qué es fuerza de fricción o rozamiento? Es la fuerza que actúa sobre un cuerpo de manera que impide o retarda el deslizamiento de éste respecto a otro en la superficie que ambos tengan en contacto.
• . Fuerza de tensión es la fuerza que se transmite por medio de una cuerda al cuerpo que se encuentra unido con ella.
•  Tipo de deformaciones Temporal elástica Indefinida plástica.
•  Deformación Temporal elástica dura mientras se aplica la fuerza.
• Deformación indefinida plástica este tipo de deformación se mantiene en el tiempo, o sea, cambia su forma permanentemente. A este tipo de cuerpo se le denomina inelástico.
• 
  

Fuerza y Movimiento

Los principios de Newton

Fuerza corresponde a todo lo que sea capaz de modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo. Newton fue un físico inglés que estudió las fuerzas y definió tres principios o leyes al respecto: el de inercia, el de masa y el de acción y reacción.

Si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza, éste podrá estar detenido o en movimiento rectilíneo y uniforme. El principio o ley de la inercia señala que al no actuar ninguna fuerza sobre un cuerpo, éste mantendrá su condición de reposo (detención o movimiento rectilíneo uniforme). En hechos cotidianos es observable esta ley. Por ejemplo, cuando un automóvil cambia su velocidad, frenando, acelerando o virando, los pasajeros tienden a seguir el movimiento que tenían antes de aplicar la fuerza. Si el vehículo frena, sus pasajeros sienten como si algo los empujara hacia adelante; cuando el vehículo acelera, se siente como si algo los empujara hacia atrás, y cuando el auto dobla a la derecha, como si algo lo empujara hacia la izquierda. Evidentemente, en ninguno de estos casos hay algo que lo empuje, ya que son sensaciones producto de la inercia o tendencia del cuerpo a seguir moviéndose del modo como venía haciéndolo.

Otra observación de la ley de inercia se realiza al colocar un lápiz o una goma de borrar (o ambos) sobre una hoja de papel. Al tomar la hoja y deslizarla lentamente sobre la mesa, tanto la goma como el lápiz se moverán junto con ésta. Si la hoja se hace deslizar lo más rápidamente posible, la goma y/o el lápiz se quedarán prácticamente en el mismo lugar. Del mismo modo algunos magos sacan el mantel de una mesa sin que se muevan las copas, platos y jarrones. El truco es aplicar el principio de inercia. En ambos casos la situación debe cumplir dos condiciones: la masa de los objetos que están sobre el mantel no puede ser muy pequeña, y el roce entre los objetos y el mantel no debe ser muy grande.

 

Las fuerzas aplicadas a los objetos son proporcionales a la masa del objeto y a la aceleración que éste adquiere. Esto se conoce como la segunda ley de Newton, o principio de masa, que se expresa:
F= ma; (1)

Por lo tanto, mientras mayor sea la fuerza sobre un cuerpo, mayor aceleración experimentará y, por otra parte, una misma fuerza producirá mayor aceleración mientras menor sea la masa del cuerpo sobre el cual actúa.
La expresión matemática de este principio (1) define el concepto de fuerza e incluye el principio de inercia. En efecto, si F = 0, necesariamente la aceleración es igual a cero; es decir, el cuerpo está en reposo o bien se mueve a velocidad constante.
De la expresión (1) vemos que la unidad de fuerza debe ser igual al producto entre la masa y la aceleración del cuerpo. El sistema de unidades generalmente usado es el MKS o Sistema Internacional (S.I.). En éste las unidades básicas son: metro para longitud, kilogramo para masa y segundos para el tiempo. Por lo tanto, las fuerzas se miden con el producto entre las unidades de masa y aceleración, kg•m/s², unidad que se denomina newton, N.

La fuerza, al igual que el desplazamiento y la velocidad, posee una dirección y sentido en el espacio, las cuales estarán determinadas por la aceleración. Por ejemplo, un automóvil viaja en la dirección norte-sur, con sentido hacia el norte, como se indica en la figura:

Si el vehículo tiene aceleración positiva, es decir, está aumentando su velocidad, entonces la fuerza que actúa sobre él está también dirigida hacia el sentido norte. Pero si su aceleración es negativa, es decir, está, reduciendo su velocidad (o va frenando), entonces la fuerza que actúa sobre él está dirigida en el sentido sur.

Las fuerzas actúan sobre un cuerpo necesariamente, y son aplicadas por otro cuerpo; es decir, las fuerzas se originan cuando los objetos interactúan entre sí. Por eso, si designamos por A y B a un par de cuerpos que interactúan,   es la fuerza que A le aplica a B, y   es la fuerza que B aplica simultáneamente a A, de igual magnitud, en la misma dirección que , pero en sentido opuesto. Matemáticamente podemos, escribir:  -  =0. Eso es lo que se llama principio de acción y reacción o tercera ley de newton.

Las fuerzas son de distintos tipos y pueden diferenciarse según la interacción en que se originan. Hay varias importantes en física: las fuerzas  eléctricas, magnéticas, nucleares, entre otras. A continuación nos referiremos a dos: la fuerza de gravedad (o peso) y a la fuerza de roce.

La fuerza de gravedad Fg. Corresponde al producto de la masa (m) de un objeto por la aceleración de gravedad (g) del lugar en que se encuentra (esté o no en movimiento); es decir: Fg =mg. Por ejemplo, si la masa de una persona es de 60 kg, su peso aquí en la superficie terrestre (g = 10 m/s²) es de aproximadamente 600 newton.

La masa de un objeto es una propiedad que lo caracteriza, mientras su peso depende del lugar en que se encuentre (aceleración a la cual está sometido). En efecto, la misma persona cuya masa es 60 kg y posee aquí¬ en la superficie terrestre un peso de 600 newton, en la superficie de la Luna, donde g = 1,6 m/s², su masa será la misma mientras su peso se reducirá a 96 newton, y en el espacio interestelar, lejos de cualquier astro, donde g = 0, deja de tener peso.

La aceleración de gravedad (g) no solo está presente en la superficie de nuestro planeta. En realidad se extiende a todo el Universo. Tampoco es una propiedad exclusiva de la Tierra, pues la producen todos los cuerpos y todos, en mayor o menor medida, tienen un peso respecto de los demás. Por lo tanto, la gravedad es la principal fuerza que determina la dinámica del Universo a gran escala: galaxias, estrellas y planetas.

La fuerza de roce. El roce es la fuerza que siempre se opone al movimiento, cualquiera sea su origen. Existen fuerzas de roce estático y de roce cinético. Suponiendo que un mueble está en reposo en el suelo, para moverlo se debe aplicar una fuerza sobre él. Si se le aplica una fuerza creciente, por ejemplo usando un resorte o un elástico, se observa que éste se estira antes de que el mueble se empiece a mover. Allí¬ está actuando el roce estático. Después se empezará a mover, y para conseguir que se desplace lenta y uniformemente se necesita aplicar una fuerza menor que la de roce estático máximo. Cuando el mueble ya se esté moviendo, estará actuando el roce cinético. El gráfico siguiente ilustra esta situación.

 

¿Por qué la fuerza que mide el resorte corresponde a la fuerza de roce?, ¿en qué dirección actúa la fuerza de roce que experimenta la silla con el suelo?, ¿de qué depende el roce entre la silla y el suelo?

La fuerza de roce F_R depende tanto de la fuerza normal (N, fuerza que se ejerce perpendicularmente a la superficie que soporta un cuerpo) que el suelo aplica sobre la silla, como de los materiales de que estén hechos el suelo y las patas de la silla. En esta situación en que el suelo es horizontal, el valor de la fuerza normal es igual al peso de la silla.

Las fuerzas de roce estático FRE y cinético FRC se pueden expresar, en función de la fuerza normal N, del siguiente modo:

F_RE= μ_EN
F_RC= μ_CN

En que μ_E y μ_C, denominados coeficientes de roce estático y cinético, respectivamente, dependen exclusivamente de los materiales de las superficies en contacto.

La siguiente tabla proporciona algunos valores para estos coeficientes.

Los siguientes ejemplos muestran estos conceptos.

Ejemplo 1: Un mueble de 40 kg y con patas de madera está sobre un piso horizontal, también de madera.

¿Cuál es la mínima fuerza horizontal que se le debe aplicar para sacarlo de su estado de reposo?, ¿qué fuerza horizontal es necesario aplicarle para continuar deslizándolo una vez iniciado el movimiento? 

Como se trata de madera sobre madera, los coeficientes de roce estático y cinético son μ_E = 0,7 y μ_C= 0,4 respectivamente. Como el peso del mueble es F_g = (40 kg)•(10 m/s²) = 400 newton, igual a la normal N, por tratarse de una superficie horizontal, entonces, aplicando las relaciones anteriores, tenemos:

F_RE= μ_EN = 0,7•(400 N) = 280 N.

F_RC= μ_CN = 0,4•(400 N) = 160 N.

Ejemplo 2: Un cajón de madera lleno de manzanas tiene una masa de 30 kg. Para deslizarlo suavemente sobre un suelo horizontal de concreto se necesita aplicarle una fuerza horizontal de 150 N. ¿Cuál es el coeficiente de roce cinético entre la madera y el concreto?
Según las expresiones anteriores tenemos que .
Como N = (30 kg)•(10 m/s2) = 300 newton y FRC = 150 newton, tenemos que μC = 0,5.

Los coeficientes de roce son cantidades adimensionales; es decir, no tienen una unidad de medición, y siempre, cualquiera sea el par de materiales que se considere, μ_E μ_C y sus valores no dependen de la extensión de las áreas en contacto.

Fuerza y torque. La fuerza que actúe sobre un cuerpo, además de cambios en su estado de movimiento, puede producir otros efectos; por ejemplo, deformarlo. Esto último ocurre cuando se estira un elástico o resorte o bien cuando se modela un trozo de greda o plasticina. En este último caso se trata de una deformación permanente, y en el primero, si el resorte o elástico es de buena calidad, una deformaciónmomentánea. El caso de la deformación que experimenta un resorte cuando lo estiramos es de gran importancia, puesto que proporciona un método para medir fuerzas en situaciones estáticas, como cuando se usa un dinamómetro.

Otro efecto que puede producir una fuerza, dependiendo del punto sobre el cual se aplique a un cuerpo, es el de rotación o giro. Cuando esto ocurre, decimos que la fuerza está produciendo un torque.

Aplicamos torque en muchas circunstancias: cuando empleamos herramientas como alicates y tijeras, con destornilladores, en un balancín en que juegan un par de niños o cuando abrimos o cerramos una puerta.

Si designamos por  al torque producido por una fuerza F, se le puede expresar como Π= F • r, en que r, denominado brazo, es la distancia entre el eje de giro del cuerpo y el punto de aplicación de la fuerza para el caso simple en que la fuerza es perpendicular al brazo.

La siguiente figura ilustra algunos casos en que habitualmente se producen torques:

En todos los casos la fuerza se ha representado como una flecha azul y el brazo en rojo. En el caso del balancín, se ha dibujado solamente el torque que aplica el niño más grande. Si el balancín está en equilibrio, entonces los torques producidos por los pesos de los niños son iguales, no así las fuerzas.

Fuerza y presión: Peso de los cuerpos.

La tierra atrae a todos los cuerpos que están dentro de su campo de acción con una fuerza que es la gravedad.  Esta es el caso particular aplicado a la Tierra, de la atracción llamada gravitación universal, que se ejerce entre todos los cuerpos del Universo.  A la gravedad se debe el peso de los cuerpos como resultado de aplicar esa fuerza a la masa.  La masa de un cuerpo no varía, su peso sí.  El equilibrio en los cuerpos está relacionado con el centro de gravedad.  La presión resulta de relacionar la fuerza con la superficie sobre la que actúa. 

Gravitación Universal

Entre todos los cuerpos del universo se ejerce una fuerza de atracción mutua que se llama gravitación universal. La gravedad no es más que el caso particular aplicado a la Tierra, de la gravitación universal  Fue estudiada por Newton y su formulación dice así: Todos los cuerpos del universo se atraen con una fuerza que es directamente proporcional a sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que los separan.

Dados dos cuerpos M y M´ , separados por una distancia d, la fuerza f con que se atraen se expresa así:

 

G es una constante llamada Gravitación Universal

Peso de los cuerpos

El peso de un cuerpo equivale a la acción que la gravedad ejerce sobre la masa de ese cuerpo, o sea la fuerza con que lo atrae a la Tierra. Como fuerza tiene dirección, sentido, intensidad y punto de aplicación. La dirección y el sentido son hacia la Tierra. La intensidad de la fuerza de gravedad aplicada al cuerpo es lo que se denomina su peso.

El peso de un cuerpo varía con la latitud y la altitud.  El peso de un cuerpo disminuye al aumentar la altitud.

Peso y Masa

Para un mismo cuerpo su peso varía según el lugar. Pero el cuerpo, su masa su forma no cambia.  También hemos dicho que el peso depende de la gravedad al aplicar ésta a la masa. Si llamamos P al peso,  M a la masa y g a la gravedad tendremos:

P = M*g

Centro de Gravedad

Un cuerpo sólido rígido esta formado por pequeñas partículas unidas. Sobre cada una de estas partículas actúa la fuerza de gravedad.  El conjunto de fuerzas que actúan sobre las partículas forma un sistema de fuerzas paralelas y del mismo sentido. Al resolver este sistema, la resultante tiene un punto de aplicación situado en el cuerpo, el cual llamamoscentro de gravedad.

Podemos definir como Centro de Gravedad de un cuerpo al punto de aplicación de la resultante del sistema de fuerzas paralelas formadas por la acción de la gravedad sobre las partículas  del cuerpo.

Si el cuerpo es un sólido homogéneo de figura regular, su centro de gravedad coincide con el centro de la figura.  Si el sólido es irregular, calculamos su centro de gravedad suspendiéndole desde distintos puntos de su superficie y trazando en cxada punto su vertical. El punto donde se cruzan todas las verticales es el centro de gravedad.

Equilibrio

El equilibrio en los sólidos puede ser

·       Estable

      Cuando una fuerza desvía al cuerpo de su posición de equilibrio y al dejar de actuar la fuerza , el cuerpo recupera su equilibrio.  En este caso se eleva el centro de gravedad al desplazar al cuerpo.

·       Inestable

       El cuerpo no recupera su equilibro. Es porque desciende su centro de gravedad.

·       Indiferente

       Cuando el cuerpo siempre está en posición de equilibrio. El centro de gravedad no varía de altura por mucho que cambie de posición el cuerpo.

Condiciones para que haya equilibrio

·       Cuerpo apoyado en un punto

       Hay equilibrio si la vertical trazada por el centro de gravedad pasa por el punto de suspensión.

·       Cuerpo apoyado en una recta

       Hay equilibrio si la vertical trazada por el centro de gravedad pasa por la recta de sustentación o es paralela a ella.

·       Cuerpo apoyado en un plano

      Hay equilibrio si la vertical trazada por el centro de gravedad cae en la base de sustentación

Equilibrio en los líquidos

La superficie de los líquidos es siempre plana y horizontal. Esto es porque tienen libres sus moléculas y sobre cada una de ellas actúa la gravedad. El equilibrio es estable, cuando deja de actuar una fuerza, la superficie vuelve a ser plana.  Cuando se dos líquidos que no se mezclan se juntan, el más pesado se sitúa debajo y la superficie de separación sigue siendo horizontal y plana.

La Presión

Es la fuerza que actúa sobre una superficie determinada  y se puede representar así:

 

Donde p presión es la directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la superficie S. Para medir la presión se puede usar el kilogramo fuerza por cm2. La unidad de medida es el bar, en meteorología se usa el milibar, que es una milésima de bar.  Una atmósfera equivale a 1013 milibares.

Cuando se ejerce mayor presión es cuando hay menor superfície: por esto podemos clavar un aguja, cortar con unas tijeras o cuchillo, etc.  Por el contrario aumentando la superficie disminuye la presión y no nos hundimos: esquíes para nieve, ruedas de tractor, etc.

Gravitación Universal

La Ley de la Gravitación Universal o Principio de Newton suscitó reticencias al aparecer. No fue hasta que Halley necesitó averiguar sobre el movimiento de los planetas que Newton volvió a plantear su Principia. De la idea de una manzada que cae del árbol, atraída por la gravedad, surge otra que sobre el poder de atracción va más allá de la manzana y afecta a la luna y demás astros.

 Trabajo y Energía

•  La energía es un concepto fundamental de la ciencia, pero no es sencillo definirlo con precisión. LA ENERGIA DE UN SISTEMA ES UNA PROPIEDAD DEL MISMO QUE NOS REFIERE A SU CAPACIDAD PARA TRANSFORMAR A OTROS SISTEMAS Pero mas importante que esto es comprender como se transforma y como se transfiere. Hay energía en los seres vivos y en las cosas, y también en las radiaciones que llegan del espacio. Pero únicamente detectamos sus efectos cuando algo sucede, es decir, cuando se producen cambios.

. Las formas de la Energía Energía Eléctrica Energía Química Energía Elástica Energía Gravitatoria Energía Nuclear Energía Potencial Equivalencia entre masa y energía: uno de los resultados mas notables de la teoría especial de la relatividad de Einstein: la masa es también una forma de energía!

Energía Térmica Energía Radiante Energía Cinética Cambio y Conservación de la Energía  Principio de Conservación de la Energía La energía no se crea ni se destruye. En cualquier sistema considerado en su totalidad, hay una cantidad que no se modifica: la energía. Puede transformarse o transferirse, pero el balance total de energía del sistema permanece constante.

 Es un modelo simplificado, en el que centraremos nuestra atención sobre una pequeña región del universo e ignoraremos los detalles del resto del Universo exterior al sistema Ejemplos de Sistema: Un único objeto o partícula Una colección de objetos o partículas Una región del espacio Sistema

 Trabajo El significado físico de la palabra trabajo difiere del significado habitual!!!! Como veremos el trabajo es un método de transferencia de energía.

El trabajo W , realizado por un agente que ejerce una fuerza constante F sobre un sistema, es el producto de la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento, por la magnitud del desplazamiento.

Notemos que el trabajo es un escalar! La unidad de trabajo es N.m, que en el sistema internacional se denomina: Joule Qué fuerzas no hacen trabajo???? Las que son perpendiculares a la trayectoria! Ejemplo: la tensión de la cuerda de un péndulo, el peso de un auto que avanza en línea recta, la fuerza normal. Realiza Trabajo, una persona que traslada una valija? No debemos confundir trabajo con esfuerzo muscular.

Apliquemos la definición de trabajo, al modelo de la figura  El trabajo neto realizado sobre el cuerpo de masa m, realizado por la fuerza resultante será: Energía Cinética y el Teorema del Trabajo-Energía Cinética.

Entonces: Cuando se realiza trabajo sobre un sistema y el único cambio que se produce en el sistema es el de su rapidez, el trabajo realizado por la fuerza neta es igual al cambio de su energía cinética Esta ecuación ha sido deducida para el caso particular de un movimiento en una dimensión, pero se trata de un resultado de carácter general. A la magnitud se la denomina Energía Cinética.

 Energía Potencial Consideraremos sistemas de dos o mas partículas que interactúan entre sí, a través de una fuerza que es interna. Por ejemplo un sistema: Tierra- pelota que interactúan a través de la fuerza gravitatoria. El trabajo realizado por el agente externo (la fuerza de ascenso F).

La expresión mgy se denomina energía potencial gravitacional (Ep). En la ecuación anterior, el trabajo representa también una transformación de energía al sistema, en este caso en energía potencial gravitatoria. La energía potencial, así como el trabajo y la energía cinética son expresiones escalares y se miden en joules. Consideremos ahora el mismo sistema Tierra-pelota, y dejemos caer la pelota: La fuerza que realiza trabajo es la fuerza gravitacional. La pelota inicialmente en reposo adquiere velocidad ya que está acelerada, entonces: Energía Mecánica.

Cuando la pelota cae de a a b , el trabajo realizado por la fuerza gravitacional es: A partir del Teorema del W y la Energía cinética tendremos: Igualando el trabajo realizado sobre la pelota:

 Reacomodando: A la suma de energía cinética y potencial se la denomina Energía Mecánica.

 Si cuando actúan fuerzas sobre un sistema se conserva la Energía Mecánica, entonces las fuerzas son conservativas. Ej: fuerza gravitatoria. Si cuando actúan fuerzas sobre un sistema, no se conserva la Energía Mecánica, entonces existe al menos una fuerza que es no conservativa. En este caso, la variación de la Energía Mecánica es igual al trabajo de la fuerza no conservativa. Fuerzas Conservativas y No Conservativas.

Potencia Resulta interesante no solo conocer la energía intercambiada con un sistema, sino también, la rapidez con la cual se intercambia esa energía. La relación de transferencia de energía respecto al tiempo , se denomina Potencia Potencia Media Potencia instantánea Si la fuerza es constante:

La unidad de potencia en el SI es el watt , 1 W = 1 J /s. En el sistema inglés la unidad es el caballo de vapor o hp 1 hp = 746 W Podemos definir ahora una nueva unidad de Energía en función de la unidad de Potencia: el kilowatt hora. 1 kWh = 3.6 10 6 J.

Fenómenos Eléctricos

 Denominamos rayo, a la descarga eléctrica entre una nube y la tierra, mientras que se denomina relámpago a la descarga producida en el interior de la nube.Ambos se originan en los cumulusnimbus o "nubes de tormenta", que están en la zona intermedia de la troposfera, y tal como hemos visto se originan por la distribución de carga en la nube llegando a elevados valores de potencial eléctrico. Algunos ejemplos:Cuando el pelo se electriza al peinarnos con un peine de plástico. La chispa de un encendedor piezo eléctrico La falda que se nos pega a las piernas al andar con medias de nylon.El funcionamiento de los electro imanes
. Las descargas de las anguilas eléctricas. El fuego de San Telmo. La atracción de pedacitos de papel por un globo o un plástico cuando se frotan con seda.

Electromagnetismo

Charles de Coulomb

La electricidad y el electromagnetismo son dos ramas de la física. Los fenómenos eléctricos y magnéticos comenzaron a estudiarse a finales del siglo XVIII, cuando en 1785 el físico francés Charles de Coulombconfirmó que la fuerza de atracción o de repulsión eléctrica es directamente proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Esto fue conocido como la Ley de Coulomb. Sin embargo, fueron los matemáticos Simeón Denis Poisson y Carl Friedrich Gauss quienes llegaron a la conclusión de que dos partículas con cargas opuestas se atraen, acelerándose una hacia la otra.

De aquí nace la teoría clásica de un circuito simple (trayecto o ruta de una corriente eléctrica), que postula que los dos polos de una pila tienen cargas opuestas (positiva y negativa). Cuando estos polos se conectan mediante un conductor, las partículas negativas son atraídas por el polo positivo, calentando el conductor, lo que sucede porque pone resistencia al movimiento. Cuando las partículas llegan al polo positivo, se ven obligadas a desplazarse dentro de la pila hasta el polo negativo, en contra de las fuerzas que se oponen a esto (Ley de Coulomb).

Los conceptos básicos del magnetismo aparecieron en el siglo XVII, desarrollados ampliamente por Coulomb. Pero la relación entre magnetismo y electricidad se estableció sólo con los experimentos realizados por el físico y químico danés Hans Christian Oersted, que en 1819 descubrió que un cable conductor por el que fluye una corriente eléctrica es capaz de desviar una aguja magnética situada en sus proximidades.

Charles de Coulomb

Físico francés (1736-1806) que nació en Angulema y trabajó como ingeniero militar al servicio de Francia en las Indias Occidentales (actuales Antillas), pero se retiró a Blois (Francia) durante la Revolución Francesa para continuar con sus investigaciones en magnetismo, rozamiento y electricidad.

En 1777 inventó la balanza de torsión para medir la fuerza de atracción magnética y eléctrica. Con este invento, Coulomb pudo establecer el principio, conocido ahora como ley de Coulomb, que rige la interacción entre las cargas eléctricas. Después de la Revolución Francesa, Coulomb salió de su retiro y ayudó al nuevo gobierno en la planificación de un sistema métrico decimal de pesos y medidas. La unidad de medida de carga eléctrica, el culombio, recibió este nombre en su honor.

RADIOACTIVIDAD

       Consiste en la emisión espontánea de partículas (alfa, beta, neutrón) o radiaciones (gamma, captura K), o de ambas a la vez, procedentes de la desintegración de determinados nucleidos que las forman, por causa de un arreglo de su estructura interna.

La radiactividad puede ser natural o artificial, según la sustancia ya la posea en el estado natural o bien que le haya sido inducida por irradiación. El conjunto de los núcleos radiactivos de una misma especie, que forman un radionucleido, tienen una radiactividad bien definida, común a todos ellos, que los identifica, al igual que un tipo de reacción química identifica los elementos que participan.

Cuantitativamente, la radiactividad es un fenómeno estadístico y, por tanto, para valorarlo hay que observar el comportamiento de un conjunto de núcleos de la misma especie, y, por la ley de los grandes números, se define una constante radiactiva λ como la probabilidad de desintegración de un núcleo por unidad de tiempo. Con esta definición, el número N de núcleos radiactivos de una misma especie que se encuentran en una sustancia en un instante t es dado por N = No • e-λt, donde No es el número de núcleos radiactivos que había antes de que transcurriera el tiempo t. En realidad, difícilmente una sustancia radiactiva está formada por un solo radionucleido, aunque cada uno de sus componentes en desintegrarse se transforma en un núcleo diferente que, a su vez, puede ser también radiactivo.

El radionucleido inicial es llamado padre, y el derivado, hijo. Esta situación puede continuar a lo largo de múltiples filiaciones y el conjunto de todas es llamado familia o serie radiactiva. En este caso, la relación que da el número de núcleos radiactivos presentes es más compleja porque, además de tener en cuenta el número de cada uno de ellos en el instante inicial, hay que considerar que, por desintegración de unos, se ' n forman otros.

El problema se simplifica cuando se alcanza el equilibrio radiactivo (llamado también equilibrio secular en las series radiactivas naturales), que es cuando ha pasado un tiempo suficientemente largo desde que se ha iniciado el proceso de filiación, porque entonces el ritmo de las desintegraciones es impuesto por radionucleido que tiene la constante radiactiva más pequeña.

En la naturaleza se encuentran unos 300 nucleidos diferentes, de los cuales 25 son radiactivos con un período suficientemente largo para que haya aún hoy día; otros 35 tienen un período mucho más corto y se crean y se desintegran continuamente en las series radiactivas.

Han sido creados e identificados más de 1 000 radionucleidos artificiales, algunos de ellos con periodos del orden de 10-2 ⁰ s. Las series radiactivas reciben el nombre del nucleido padre de períodos más largo. Hay cuatro, tres de las cuales son naturales: la del torio, la del uranio y la del actinio, que terminan en sendosisótopos estables del plomo, respectivamente los de número de masa 208, 206 y 207; con respecto a la serie del neptunio, como los radionucleidos que la componen tienen un periodo corto comparado con la duración de las eras geológicas, no se encuentra en la naturaleza y ha sido obtenida artificialmente; el último nucleido de esta serie es el isótopo 209 del bismuto.

La radiactividad fue descubierta en 1896 por Antonie-Henri Becquerel, quien, al hacer estudios sobre la fosforescencia de las sustancias, observó que un mineral de uranio era capaz de velar unas placas fotográficas que estaban guardadas a su lado.