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Este blog es realizado por: Alejandra Cárdenas, Angela Tamborero, Pablo Gonzaléz y Carlos Arocha. Pertenecientes al 2do grupo de laboratorio.

domingo, 24 de junio de 2012



 ESTÁTICA

Es la rama de la mecánica clásica que analiza las cargas y estudia el equilibrio de fuerzas en los sistemas físicos en equilibrio estático, es decir, en un estado en el que las posiciones relativas de los subsistemas no varían con el tiempo. Al momento de trabajar sobre el estudio de la estática es de suma importancia resaltar:
La fuerza
Es toda acción que puede variar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo o bien, producir deformación sobre él. Las fuerzas tienen orígenes muy distintos: el viento, la atracción de la tierra, una reacción química, un fenómeno electromagnético, una combustión, la fuerza humana, entre otros muchos orígenes diferentes.
Sobre un cuerpo actúan simultáneamente varias fuerzas, la suma de estas fuerzas recibe el nombre de fuerza neta, y corresponde a una única fuerza equivalente a todas las demás. Cuando la fuerza neta es cero o nula, el objeto se encuentra en equilibrio. Si la fuerza neta es distinta a cero, no existe equilibrio y por consiguiente, el objeto adquiere un movimiento. 
La primera ley de newton
Todos los cuerpos que nos rodean están sometidos a la acción de una o varias fuerzas, algunas de ellas a distancia y otras de contacto. La primera ley de newton propone que todo cuerpo permanece en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme si no actúa ninguna fuerza sobre él o si la fuerza neta que actúa sobre él es nula. En conclusión, le primera parte del principio de inercia se refiere a los cuerpos que se encuentran en reposo, mientras que la segunda parte, hace énfasis en que si un cuerpo se mueve con una velocidad constante en línea recta, entonces no actúan fuerzas sobre él o la fuerza neta es igual a cero.

Masa inercial
Es una medida de la resistencia de una masa al cambio de velocidad en relación con un sistema de referencia inercial. Podemos tomar como ejemplo 3 esferas de igual radio pero diferente material (de hierro, de madera, de goma) y que las tres esferas se encuentran inicialmente en reposo sobre una superficie horizontal. Si a cada una de ella se le aplica un pequeño golpe, la esfera más difícil de mover es la que aplica mayor resistencia al cambio de su estado de movimiento, o la que tiene mayor inercia, o la que adquiere menor rapidez final. Pero, si se realiza el mismo procedimiento con tres esferas de distinto radio pero del mismo material, se observa que la esfera más grande es la más difícil de mover, en consecuencia la inercia es un propiedad intrínseca de cada cuerpo.

TIPOS DE FUERZA QUE ACTUAN SOBRE UN CUERPO

El peso de los cuerpo: Una de las fuerzas básicas de la naturaleza es la interacción gravitacional, en la cual, todo cuerpo que se encuentre en la proximidad de la tierra experimenta una fuerza de atracción gravitacional. Esta fuerza ejercida por la tierra sobre los objetos siempre será hacia abajo. Una de las características que se debe resaltar es que el punto de aplicación del vector peso es en el centro de gravedad del cuerpo, que para todos los efectos se puede considerar que en él se encuentra concentrada toda la masa del mismo.

 
Ejemplo







Una lancha e mueve en línea recta, en un lago, con rapidez constante. Determinar:
  1. Un diagrama en el que se represente las fuerzas que actúan sobre la lancha   
  2. Las relaciones existentes entre las fuerzas que actúan sobre la lancha.

SOLUCIÓN:
1)    Como la trayectoria de la lancha es rectilínea, sobre ella actúan las cuatro fuerzas que se muestran a continuación:
·       La fuerza ejercida por el motor.
·       La fuerza ascensional, debida a la acción que el agua ejerce hacia arriba sobre la lancha.
·       El peso de la lancha.
·       La fuerza de resistencia que el agua ofrece.



1)    Puesto que la lancha se desplaza a velocidad constante, de acuerdo con el principio de inercia, la fuerza neta debe ser igual a cero



F neta = F mot + F as + W + F res = 0

Como la fuerza neta es cero, sus componentes deben ser iguales a cero, por tanto

           En dirección horizontal               En dirección vertical
                    F mot + F res = 0                                 F as + W = 0
Lo cual significa que:





                F mot = - F res                           F as = - W

·      La fuerza normal:
Todo cuerpo situado sobre una superficie ejerce una fuerza sobre esta. Esta fuerza se denomina fuerza normal o simplemente normal. La fuerza normal es perpendicular a la superficie que la ejerce.
Cuando el plano sobe el que está situado el cuerpo es horizontal, la normal es igual al peso y de sentido contrario a él, pero no ocurre así cuando el plano es inclinado.

·      La fuerza de rozamiento:
Un cuerpo que se desplaza sobre una superficie o sobre otro cuerpo, experimenta una fuerza de sentido contrario al sentido de su movimiento, dicha fuerza es ejercida por la superficie de contacto. Este fenómeno se debe a que las superficies de contacto no son perfectamente lisas, sino que presenta rugosidades que encajan entre sí, produciendo una fuerza que se opone al movimiento.
Ejemplo:
Una caja tiene un peso de 400,0 N. Si un hombre le ejerce una fuerza de 200,0 N con una cuerda que forma con la horizonal un ángulo de 30°.
Determinar:
1)    Las fuerzas que actúan sobre la caja.
2)    La fuerza normal y la fuerza de rozamiento, si la caja se mueve con velocidad constante.
SOLUCIÓN:
1)   Las fuerzas que actúan sobre la caja son: el peso, la fuerza de rozamiento, la fuerza normal y la fuerza que ejerce el hombre.
2)    Las componentes de la fuerza F son:
Fx = F . cos α
Fy = F . sen α
Al reemplazar y calcular tenemos que:
Fx = 200,0 N . cos 30° = 173,2 N 
Fy = 200,0 N . sen 30° = 100,0 N
Puesto que la caja se mueve con la velocidad constante, la fuerza neta es igual a cero, por lo tanto:
F = (173,2; 100,0)
W = (0, - 400,0) 
FN = (0, FN)
Fr = (- Fr, 0)
Fneta = (0,0)
Como la suma de las fuerzas verticales y horizontales es cero, entonces.
173,2N – Fr = 0             luego,            Fr = 173,2 N
100,0 – 400N + FN = 0        luego,      FN = 300 N
La fuerza normal mide 300 N y la fuerza de rozamiento mide 173,2 N

·      La tensión
Con frecuencia, se ejercen fuerzas por medio de cuerda o hilos. Si consideramos que 
estos son inextensibles, las fuerzas aplicadas sobre ellos se transmiten a los cuerpos a 
los cuales están unidos. 

Condiciones para el Equilibrio
·      Primera condición: Cuando la suma de todas las fuerzas son iguales a 0
F1 + F2 + F3 – F4 – F5 = 0
Un cuerpo esta en equilibrio de translación cuando la suma algebraica de todas las fuerzas es igual a 0.
·      Segunda condición: Un cuerpo está en equilibrio de rotación cuando la suma algebraica de los momentos de las fuerzas que actúan sobre él es igual a 0.
M1 + M2 – M3 = 0
·      Tercera condición: Un cuerpo está en equilibrio completo o equilibrio mecánico cuando está en equilibrio de rotación y translación.

DINÁMICA

La dinámica es la parte de la física que describe la evolución en el tiempo de un sistema
físico en relación con las causas que provocan los cambios de estado físico y/o estado de
movimiento. El objetivo de la dinámica es describir los factores capaces de producir
alteraciones de un sistema físico, cuantificarlos y plantear ecuaciones de movimiento o
ecuaciones de evolución para dicho sistema de operación.

La segunda ley de newton
Cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza constante, este experimenta cambios de
velocidad iguales para tiempos iguales, lo cual significa que una fuerza neta constante
produce una aceleración constante. Por esta razón, los vectores aceleración y fuerza neta
tienen la misma dirección como se observa en la siguiente figura. 
La fuerza neta que se ejerce sobre un cuerpo es propocional a la aceleración que dicha fuerza produce, donde la constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo.



Ejemplo:
Un automóvil cuya masa es 1000 kg se mueve con velocidad de 54km/h y se detiene 
después de 10 segundos de avanzar por una via recta. Determinar la fuerza neta que 
actúa sobre él.
SOLUCIÓN
Para determinar la fuerza neta, primero se expresa la velocidad en m/s, para lo cual tiene: 
15 m/s

Si el automóvil frena con aceleración constante, podemos determinar el valor de dicha
aceleración a partir de la expresión:



V = Vo + a.t
0 = 15m/s + a. (10s)
a = - (15 m/s) / 10s
a = - 1,5 m/s^2
La fuerza neta se calcula:
F = m . a
F = - 1000 kg . 1,5 m/,𝑠-2.
F = - 1500 N

El signo menos indica que la fuerza actua en dirección contraria al movimiento y, en 
consecuencia, la velocidad del automóvil disminuye, pues la velocidad inicial era 15m/s y 
la velocidad final es 0 m/s.


velocidad inicial era 15m/s y la velocidad final es 0 m/s.
El peso de los cuerpos
El peso de un cuerpo se relaciona con su masa, sin embargo, se trata de dos conceptos diferentes. Un cuerpo tiene la misma masa en la tierra que en la Luna, pero su peso es seis veces menor en la luna que en la tierra. Por ejemplo, a un jugador de futbol americano le resultaría más difícil levantar un contenedor de juego en la tierra que en la Luna, pero requeriría la misma fuerza, tanto en la tierra como en la Luna para detenerlo, pues en ambos sitios tiene la misma masa. Por otra parte, a diferencia del peso, la masa no es una cantidad de carácter vectorial.

Ejemplo:
El peso de un bloque de 72 kg.

SOLUCIÓN

a . w = m.g
w = 72 kg . 9,8 m/s2 = 705,6 N
El peso de un cuerpo de 72 kg es de 705,6 N

El plano inclinado
Las superficies inclinadas como las rampas son ejemplos de planos inclinados. Un plano 
inclinado es una superficie plana que forma un determinado ángulo (α) con la horizontal.





Considera que sobre un plano inclinado liso (de rozamiento despreciable) se coloca un cuerpo sujeto por un dinamómetro a la parte superior del plano. Sobre el cuerpo actuaran tres fuerzas: Su peo, la fuerza norma y la fuerza que ejerce el resorte del dinamómetro. Como el cuerpo se encuentra en equilibrio bajo la acción de las tres fuerzas, se cumple que:

Mg + F
N + FD = 0
CONCEPTOS BASICOS DE ESTA UNIDAD
·      Maquina simple: Es un artefacto mecánico que transforma un movimiento en otro diferente, valiéndose de la fuerza recibida para entregar otro de magnitud, dirección o longitud de desplazamiento distintos a la de la acción aplicada.

·      Palanca: Es una maquina simple que tiene como función transmitir una fuerza y un desplazamiento.


·      Polea: Es una maquina simple que sirve para transmitir una fuerza. Se trata de una cuerda que se hace pasar por un canal que permite el cambio de la dirección del movimiento.









·      Torno: Se denomina como un conjunto de maquinas y herramientas que permiten mecanizar piezas de forma geométrica de revolución.


ENERGIA

Los conceptos de energía y de trabajo están estrechamente relacionados. Todo cuerpo 
que está en capacidad de realizar un trabajo transfiere energía. La energía en la rama de 
física se define como la capacidad para realizar un trabajo.

Trabajo
 Para aproximarnos al concepto de trabajo, supongamos que una persona levanta un 
objeto de peso mg a lo largo de una distancia d (mplenaod la fuerza ejercida por una 
cuerda) y que, en el mismo instante, otra persona levanta un objeto de peso 2mg, durante 
la misma distancia d. Si en ambos casos los objetos suben con velocidad constante, 
podemos afirmar que la fuerza aplicada a cada cuerpo es de igual intensidad que el peso 
del cuerpo, pero opuesta. 




Al comparar las dos situaciones anteriores, se puede señalar que en el primer caso se 
realiza la mitad del trabajo que se realiza en el segundo caso.

La energía potencial
Es la capacidad que posee un cuerpo para realizar un trabajo, por efecto de su posición o 
configuración. Cuando un cuerpo se deja caer desde cierta altura con respecto al suelo, 
la Tierra ejerce una fuerza de atracción gravitacional sobre él. Otra característica que 
debemos resaltar es que se llama energía potencial gravitacional a la energía asociada a 
un objeto sometido a la fuerza, peso, y que se encuentra a determinada altura con 
respecto a un nivel de referencia.

Ejemplo
Un objeto de masa m se suelta en el punto P y se mueve hasta el punto Q a lo largo de dos trayectorias diferentes.
Determinar:
a)    La energía potencial del objeto en el punto P.
SOLUCIÓN
a)    Tomando como nivel de referencia la horizontal que pasa por el punto Q, la energía potencial en el punto P, es:
Ep = m . g . h


Para determinar el trabajo realizado por el peso a lo largo de la trayectoria A, se tiene que:
Wmg = mg . Δx . cos α                               
 Wmg = mg . d . cos (90° - φ)                            α = 90° - φ
Wmg = mg . d . sen φ                                         cos ( 90° - φ) = sen φ
Wmg = mg . d. ,-𝑑.                                  sen φ = ,-𝑑.
Wmg = mg . h                                               Al simplificar

La energía cinética
Se llama energía cinética a la energía asociada a un objeto que se encuentra en movimiento. Cuando damos un puntapié a un balón, el pie transfiere movimiento al balón, es decir, cuando un cuerpo en movimiento choca con otro objeto, le puede transmitir movimiento. Por tal razón, podemos afirmar que el objeto en movimiento realiza trabajo sobre el otro y, en consecuencia, le transfiere energía.

Ejemplo
Un ciclista que participa de una prueba contra reloj, desarrolla una fuerza constante de 39 N durante los primeros 200 m de recorrido hasta adquirir una cierta velocidad. Si las masas del ciclista y de su bicicleta son, respectivamente, 68 kg y 12 kg, y suponiendo que no hay perdidas energéticas en las transformaciones que se presentan (rozamiento, resistencia del aire, etc.) Calcular: 
A)    El trabajo realizado por el ciclista
B)   La energía cinética alcanzada a los 200 m

SOLUCIÓN
A)    A partir de la definición de trabajo tenemos que:
Wneto = Fneta. Δx = 39 N . 200 m = 7800 J
B)   Para determinar la energía desarrollada por el ciclista, es necesario considerar que, al salir del reposo, la energía cinética es nula, por tanto:
Wneto = Ec – Eco
7800 J = Ec – 0
Ec = 7800 J

Ejercicios
Una esfera de masa 0,20 kg sale disparada desde el borde de una rampa con una velocidad de 5,0 m/s y desde una altura de 1,20m sobre el suelo, como se muestra en la figura. Si se desprecia la resistencia del aire, Determinar:
a)    La energía mecánica en el punto A
b)    La energía cinetica, cuando la altura con respecto al suelo es 0,60cm
c)    La velocidad de la esfera, cuando la altura con respecto al suelo es 0,60 cm
d)    La energía cinetica, un instante antes de chocar con el suelo
SOLUCIÓN
a)    En el punto A para los valores de la energía cinética y potencial tenemos:
Eca = 1/2 . m . Va^2
Eca = 1/2 . 0,2kg . (5 m/s)^2 = 2,5 J
Epa = m . g . hA
Epa = 0,20 kg . 9,8 m/s^2. . 1,20 m = 2,4 J
Por tanto, la energía mecánica en el punto A es:
Ema = Eca + Epa = 2,5 J + 2,4 J = 4,9 J
La energía mecánica en el punto A es 4,9 J
b)    En el punto D, la energía potencial es:
EPD = m . g . HD
EPD = 0,20 kg . 9,8 m/s^2 . 0,60 m = 1,2 J
Puesto que se desprecia la resistencia del aire, la única fuerza que actúa sobre la esfera entre los puntos A y D es el peso, por tanto, la energía mecánica se conserva, es decir:
EMA = EMD
4,9 J = ECD + EPD
4,9 J = ECD + 1,2 J
ECD = 3,7 J
La energía cinética en el punto D es 3,7 J, lo cual muestra que la energía cinética aumento en 1,2 J y en consecuencia la energía potencial disminuyo en la misma cantidad.
c)    Puesto que la energía cinética en el punto D es 3,7 J, tenemos:
ECD = 1/2 . m . VD^2
3,7 J = 1/2 . 0,2 kg . VD^2
VD = 6,1 m/s
La velocidad en el punto D es de 6,1 m/s
d)    En el punto B, la energía potencial es EPB = 0 porque en dicho punto la altura con respecto al nivel de referencia, el suelo, es igual a cero. Como la energía mecánica se conserva,
EMA = EMB
4,9 J = ECB + EPB
4,9 J = ECB + 0 J
ECB = 4,9 J
La energía cinetica en el punto B es 4,9 J, que corresponde al valor de la energía mecánica puesto que la energía potencial es igual a cero.


El principio de conservación de la energía
Básicamente propone que la energía no se crea ni se destruye. En todos los sistemas la energía se transforma o se transfiere con la condición de que la energía total del sistema permanezca constante. Podemos tomar como ejemplo, la energía eléctrica obtenida en las centrales hidroeléctricas se transforma en energía térmica con el funcionamiento de las estufas, en energía lumínica con las bombillas, en energía mecánica con los motores, etc.










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