Fundamentos de Física: Principios, Hidrodinámica, Ondas y Termología

Principios Fundamentales de la Física

Principio de Pascal

Toda presión que se ejerce sobre un líquido encerrado en un recipiente se transmite con la misma intensidad a todos los puntos del líquido y a las paredes del recipiente que lo contiene.

La presión en el émbolo menor está dada por la relación f/a, y en el émbolo mayor por F/A. De acuerdo con el principio de Pascal ambas presiones son iguales, por tanto, la fórmula para la prensa hidráulica es:

Principio de Arquímedes y Flotación de los Cuerpos

“Todo cuerpo sumergido en un fluido recibe un empuje ascendente igual al peso del fluido desalojado”

1. PESO DEL CUERPO < EMPUJE = FLOTA
2. PESO DEL CUERPO > EMPUJE = HUNDE
3. PESO DEL CUERPO = EMPUJE = PERMANECE EN EQUILIBRIO

Hidrodinámica

Parte de la hidráulica que estudia los líquidos incomprensibles, es decir, el comportamiento de los líquidos en movimiento, considerando la velocidad, la presión, el flujo y el gasto del líquido.

Aplicaciones de la hidrodinámica:

1. Los líquidos son completamente incomprensibles
2. Se considera despreciable la viscosidad
3. El flujo de los líquidos se supone estacionario o de régimen estable

Gasto, Flujo y Ecuación de Continuidad

Gasto:

Cuando un líquido fluye a través de una tubería es muy común hablar de su gasto, que por definición es:

“La relación existente entre el volumen de líquido que fluye por un conducto y el tiempo que tarda en fluir”

G= V/t

El gasto también puede calcularse si se conoce la velocidad del líquido y el área de la sección transversal de la tubería:

Flujo:

Se define como la cantidad de masa del líquido que fluye a través de una tubería en un segundo:

F= m/t

Ecuación de continuidad:

Teorema de Bernoulli

Daniel Bernoulli (1700-1782)

Al estudiar el comportamiento de los líquidos, descubrió que la presión de un líquido que fluye por una tubería es baja si su velocidad es alta, y por el contrario, es alta si su velocidad es baja. Por tanto, la Ley de la Conservación de la Energía también se cumple cuando los líquidos están en movimiento.

“En un líquido ideal cuyo flujo es estacionario, la suma de las energías cinética, potencial y de presión que tiene el líquido en un punto, es igual a la suma de estas energías en otro punto cualquiera.

Movimiento de los Cuerpos Sólidos en los Fluidos

Cuando un cuerpo sólido se mueve en un fluido, como puede ser aire, experimenta una resistencia que se opone a su movimiento, es decir, se presenta una fuerza en sentido contrario al del movimiento del cuerpo. Dicha fuerza recibe el nombre de fuerza de fricción viscosa y depende de la velocidad del sólido, de la viscosidad del fluido, así como de la forma o figura geométrica del cuerpo.

Ondas Mecánicas

Son aquellas ocasionadas por una perturbación y que para su propagación en forma de oscilaciones periódicas requieren de un medio material. Tal es el caso de las ondas producidas en un resorte, una cuerda, el agua o en algún medio por el sonido.

Ondas Longitudinales y Transversales

Ondas longitudinales: PARALELAMENTE

Se presentan cuando las partículas del medio material vibran paralelamente a la dirección de propagación de la onda, tal es el caso de las ondas producidas en un resorte que se estira y se comprime paralelamente

Ondas transversales: PERPENDICULARMENTE

Se presenta cuando las partículas del medio material vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda, por ejemplo, al arrojar una piedra a un estanque se forman ondas transversales

Tren de Ondas, Frente de Onda y Vector de Propagación

Tren de ondas:

Frente de onda:

Vector de propagación:

Es la línea que señala la dirección en que avanza cualquiera de los puntos de un frente de onda. Cuando el medio en que se propaga la onda es homogéneo, la dirección de los rayos siempre es perpendicular o normal al frente de la onda.

Ondas Lineales, Superficiales y Tridimensionales

• Ondas lineales: son las que se propagan en una sola dimensión o rayo
• Ondas superficiales: son las que se difunden en dos dimensiones
• Ondas tridimensionales: son las que se propagan en todas las direcciones como el sonido.

Características de una Onda

Longitud de onda: distancia entre dos frentes de onda que están en la misma fase. (entre cresta y cresta o entre valle y valle)

Frecuencia: número de ondas emitidas por el centro emisor en un segundo. Se mide en ciclos/s, es decir, en HERTZ (HZ)

Periodo: tiempo que tarda en realizarse un ciclo de onda.

Nodo: es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.

Elongación: es la distancia entre cualquier punto de una onda y su posición de equilibrio

Amplitud de onda: es la elongación o alejamiento de su posición de equilibrio que alcanzan las partículas vibrantes.

Velocidad de propagación: es aquella con la cual se propaga un pulso a través de un medio.

Reflexión de las Ondas

La reflexión de las ondas se presenta cuando éstas encuentran un obstáculo que les impide propagarse, chocan y cambian de sentido sin modificar sus demás características.

Principio de Superposición de las Ondas

Es el desplazamiento que experimenta una partícula vibrante, equivalente a la suma vectorial de los desplazamientos que cada onda le produce.

Interferencia de Ondas

Se produce cuando se superponen simultáneamente dos o más trenes de onda; este fenómeno se emplea para comprobar si un movimiento es ondulatorio o no.

Tipos de Interferencia

Interferencia constructiva: se suman

Se presenta al superponerse dos movimientos ondulatorios de la misma frecuencia y longitud de onda, que llevan el mismo sentido.

Interferencia destructiva: se cancela

Se manifiesta cuando se superponen dos movimientos ondulatorios con una diferencia de fase.

Ondas Estacionarias

Se producen cuando interfieren dos movimientos ondulatorios de la misma frecuencia y amplitud que se propagan en diferente sentido a lo largo de una línea con una diferencia de fase de media longitud de onda.

Refracción de Ondas

Se presenta cuando estas pasan de un medio a otro de distinta densidad o bien, cuando el medio es el mismo, pero se encuentra en condiciones diferentes, por ejemplo, el agua a distintas profundidades, ello origina que las ondas cambien su velocidad de propagación y su longitud de onda, conservando constante su frecuencia.

Difracción de Ondas: (divide las ondas, se fraccionan)

Cuando una onda encuentra un obstáculo en su camino y lo rodea o lo contornea se produce la difracción de ondas.

Termología

Diferencia entre Calor y Temperatura

Calor: energía producida por la vibración acelerada de las partículas, que se manifiesta elevando la temperatura. Transferencia de energía de un cuerpo a otro. Se mide en Joules y calorías.

Temperatura: Medida del grado de calor, o sea, del movimiento de las partículas. Medida de la energía cinética de las moléculas de un material. Se mide en C, K y F.

Potencial Térmico y Energía Calorífica

Si colocamos un cuerpo caliente junto a uno frío notaremos que, al transcurrir el tiempo, el primero se enfría y el segundo se calienta.

Cuando un cuerpo se encuentra demasiado caliente su temperatura o potencial térmico es alto, esto le permite ceder calor o energía calorífica a otro cuerpo de menor temperatura que se encuentre cercano a él; de esta manera, ambos tendrán igual potencial térmico.

Medida de la Temperatura: El Termómetro

Diferentes Escalas Termométricas

1714: Gabriel Fahrenheit, primer termómetro.

1742: Andrés Celsius, basó su escala en el punto de fusión del hielo 0 grados y el punto de ebullición del agua 100 grados.

(1824-1907): William Kelvin propuso una nueva escala de temperatura en la cual el cero corresponde a lo que tal vez sea la menor temperatura posible llamada cero absoluto, en esta temperatura la energía cinética de las moléculas es cero.

El tamaño de un grado de la escala Kelvin es igual al de un grado Celsius y el valor de cero grados en la escala de Celsius equivale a 273 kelvin.

Conversión de Temperaturas de una Escala a Otra

1. Celsius a Fahrenheit
2. Fahrenheit a Celsius
3. Celsius a Kelvin
4. Kelvin a Celsius

Dilatación de los Cuerpos

Los cambios de temperatura afectan el tamaño de los cuerpos, pues la mayoría de ellos se dilatan al calentarse y se contraen si se enfrían.

Dilatación Lineal y su Coeficiente de Dilatación

En los cuerpos sólidos, como los alambres, lo más importante es el aumento de longitud que experimenta al elevarse la temperatura, es decir, su dilatación es lineal.

Coeficiente de dilatación lineal:

Es el incremento de longitud que presenta una varilla de determinada sustancia con un largo inicial de un metro cuando su temperatura se eleva un grado Celsius.

Para calcular el coeficiente de dilatación lineal se emplea la siguiente ecuación:

Dilatación de Área

Cuando un área o superficie se dilata lo hace incrementando sus dimensiones en la misma proporción.

Coeficiente de Dilatación de Área

Es el incremento de área que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, de área igual a la unidad al elevarse su temperatura un grado centígrado.

Formas de Propagación de Calor

1. Conducción: propagación del calor a través de un cuerpo sólido debido al choque entre moléculas.
2. Convección: propagación de calor ocasionada por el movimiento de la sustancia caliente.
3. Radiación: propagación del calor por medio de ondas electromagnéticas esparcidas incluso en el vacío a una velocidad de aproximadamente 300 mil km/s

Unidades para Medir el Calor

JOULE, CALORÍA, KILOCALORÍA.

Joule= newton metro= NM=J

Caloría= cantidad de calor aplicado a un gramo de agua para elevar su temperatura un grado centígrado

Kilocaloría= es un múltiplo de la caloría y equivale a 1 kilocaloría es igual a mil calorías

Capacidad Calorífica

La relación existente entre la cantidad de calor que recibe y su correspondiente elevación de temperatura con la siguiente fórmula:

Calor Específico

Es igual a la capacidad calorífica C de dicha sustancia entre su masa m: