FISICA

jueves, 27 de marzo de 2014

ONDAS

Una onda es una perturbacion que viaja a traves del espacio o en un medio elastico, transportando energia sin que haya desplazamiento de masa.

Clasificacion de ondas:

Mecanica: Son ondas que requieren para desplazarse de un medio elastico o por ejemplo las ondas de agua
Elecctromacnetica: Son ondas que se propagan en el vacio como por ejemplo las ondas de radio

Direccion de propagacion:

Transversales: Son aquellas que se caracterizan porque las particulas del medio vibran perpendicularmente a la direccion de la propagacion de la onda.
Longitudinales: Son aquellas que vibran en la misma direccion de propagacion de la onda.

Ecuación de una onda: X= ACos wt Y= ASen wt

Fenómenos Ondulatorios

Reflexión: Es el cambio de direccion que experimenta una onda cuando choca contra un obstaculo. La onda que se dirige al obstaculo se llama insidente y la onda que se produce en el choque se denomina reflejada.

Refracción: Es el camio de direccion que experimenta un movimiento ondulatorio cuando pasa de un medio a otro.

Principio de Huygens: Todo punto de un frente de onda se considera como foco o fuente de nuevas ondas que se propagan en todas las direcciones con una velocidad igual a la velocidad de propagacion de las ondas.

Difracción: Es la dispercion o curvado aparente de las ondas cuando se encuentran con un obstaculo.

Principio de superposicion: Cuando dos o mas ondas se encuentran en un punto en un medio al mismo instante.

Interferencia: Puede ser constructiva o destructiva

Introduccion 2 Periodo

Tematica:

ONDAS:
Clasificacion
Ecuacion de una onda
Fenomenos ondulatorios
Reflexion
Refraccion
Principio de Huygens
Difraccion
Principio de superposision
EL SONIDO:
Naturaleza del sonido
Velocidad del sonido
Caracteristicas del sonido
Efecto Doppler
Cuerdas
Tubos sonoros
OPTICA:
Comportamiento de la luz
Naturaleza y propagacion de la luz
Velocidad de la luz
Reflexion
Refraccion

MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE

El movimiento armónico simple (m.a.s.), también denominado movimiento vibratorio armónico simple, es un movimiento periodico, y vibratorio en ausencia de fricción, producido por la acción de una fuerza recuperadora que es directamente proporcional a la posición y que queda descrito en función del tiempo por una función senoidal (seno o coseno). Si la descripción de un movimiento requiriese más de una función armónica, en general sería un movimiento armónico, pero no un m.a.s.

PERIODO (T): Es el tiempo que tarda la partícula en dar una oscilación completa.

FRECUENCIA (f): Es la cantidad de oscilaciones completas que la partícula realiza en la unidad de tiempo (1 segundo). Se sigue cumpliendo que f = 1/T.

PUNTO DE EQUILIBRIO: Es el punto central de la trayectoria de la partícula.

PUNTO DE RETORNO: Son los extremos de la trayectoria que limitan el movimiento de la partícula.

ELONGACIÓN (x): Es la distancia que separa la partícula de su posición de equilibrio.

AMPLITUD (A): Es la máxima elongación posible y equivale a la distancia entre el punto de equilibrio y uno de los puntos de retorno.

OSCILACIÓN SENCILLA: Es el movimiento de un extremo al otro de la trayectoria.

OSCILACIÓN COMPLETA: Es el movimiento de un extremo al otro de la trayectoria y regreso hasta el punto de partida, es decir, una oscilación completa es igual a dos oscilaciones sencillas.

ECUACIONES:

Enlongacion: X= ACos wt

Velocidad: V= -A W sen wt

Aceleracion: a= -A w2 cos wt

A: amplitud

w: velocidad angular= 2π/ T

t: tiempo

ENERGIA

Las fuerzas involucradas en un movimiento armónico simple son centrales y, por tanto, conservativas. En consecuencia, se puede definir un campo escalar llamado energía potencial (E_p) asociado a la fuerza. Para hallar la expresión de la energía potencial, basta con integrar la expresión de la fuerza y cambiarla de signo, obteniéndose:

$E_p = \frac{1}{2} kx^2$

La energía potencial alcanza su máximo en los extremos de la trayectoria y tiene valor nulo (cero) en el punto x = 0, es decir el punto de equilibrio.

La energía cinética cambiará a lo largo de las oscilaciones pues lo hace la velocidad:

$E_{c}=\frac{1}{2}m\, v^{2}$

La energía cinética es nula en -A o +A (v=0) y el valor máximo se alcanza en el punto de equilibrio (máxima velocidad Aω).

$E_{c}^{max}=\frac{1}{2}m\,\omega^{2}A^{2}$

Como sólo actúan fuerzas conservativas, la energía mecánica (suma de la energía cinética y potencial) permanece constante.

$E_p + E_c = E_m \,$

Finalmente, al ser la energía mecánica constante, puede calcularse fácilmente considerando los casos en los que la velocidad de la partícula es nula y por lo tanto la energía potencial es máxima, es decir, en los puntos $x = -A$ y $x = A$ . Se obtiene entonces que,

$E_{m} = E_p^{max} + 0 = \frac{1}{2} k A^{2}$

El pendulo

El péndulo es un sistema físico que puede oscilar bajo la acción gravitatoria u otra característica física y que está configurado por una masa suspendida de un punto o de un eje horizontal fijos mediante un hilo, una varilla, u otro dispositivo que sirve para medir el tiempo.

Leyes del péndulo:
Ley de las masas: Suspendamos de un soporte (por ejemplo: del dintel de una puerta) tres hilos de coser de igual longitud y en sus extremos atemos sendos objetos de masas y sustancias diferentes . Por ejemplo: una piedra, un trozo de hierro y un corcho. Saquémolos del reposo simultáneamente. Verificaremos que todos tardan el mismo tiempo en cumplir las oscilaciones, es decir, que todos “van y vienen” simultáneamente. Esto nos permite enunciar la ley de las masas:

LEY DE MASAS: Las tres mas de la figura son distintas entre si, pero el periodo (T) de
oscilación es el mismo. (T1=T2=T3)

Ley del Isócrono: Dispongamos dos de los péndulos empleados en el experimento anterior. Separémolos de sus posiciones de equilibrio, de tal modo que los ángulos de amplitud sean distintos (pero no mayores de 6 o 7 grados).

Dejémolos libres: comienzan a oscilar, y notaremos que, también en este caso, los péndulos “van y vienen” al mismo tiempo. De esto surge la llamada Ley del isocronismo (iguales tiempos):

Ley de las longitudes:

Suspendamos ahora tres péndulos cuyas longitudes sean:

Péndulo A = (10cm) 1 dm.
Péndulo B = (40 cm) 4 dm.
Péndulo C = (90 cm) = 9 dm.

Los tiempos de oscilación (T) de dos péndulos de distinta longitud (en el mismo lugar de la Tierra), son directamente proporcionales a las raíces cuadradas de sus longitudes.

Ley de las aceleraciones de las gravedades: Al estudiar el fenómeno de la oscilación dejamos aclarado que la acción gravitatoria tiende a hacer parar el péndulo, pues esa es la posición más cercana a la Tierra. Significa esto, en principio, que la aceleración de la gravedad ejerce una acción primordial que evidentemente debe modificar el tiempo de oscilación del péndulo.

Por ejemplo: si en Buenos Aires el tiempo de oscilación es T1, y la gravedad g1, en Río de Janeiro el tiempo de oscilación es T2 y la gravedad g2, se verifica la siguiente proporcionalidad:

TERMODINAMICA

La termodinámica es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico. Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental. Los estados de equilibrio son estudiados y definidos por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por medio de magnitudes no extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden ser tratadas por medio de la termodinámica.

Temperatura

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o frío que puede ser medida con un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como energía cinética, que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más caliente; es decir, que su temperatura es mayor.

Dilatación Térmica

Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. La contracción térmica es la disminución de propiedades métricas por disminución de la misma.

Dilatacion lineal: El coeficiente de dilatación lineal, designado por α_L, para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después de $\alpha_L = \frac {1} {L} \left ( \frac {dL} {dT} \right )_P = \left ( \frac {d \ln L} {dT} \right )_P \approx \frac {1} {L} \left ( \frac {\Delta \ L} {\Delta \ T} \right )_P$ left}} Donde $\Delta L$ , es el incremento de su integridad física cuando se aplica un pequeño cambio global y uniforme de temperatura $\Delta T$ a todo el cuerpo. El cambio total de longitud de la dimensión lineal que se considere, puede despejarse de la ecuación anterior:

$L_f = L_0 [1 +\alpha_L (T_f - T_0)]\;$

Donde:

α=coeficiente de dilatación lineal [°C^-1]

L₀ = Longitud inicial

L_f = Longitud final

T₀ = Temperatura inicial.

T_f = Temperatura final

Dilatacion superficial: La dilatacion superficial es cuando un cuerpo al cambiar la temperatura sufre cambio en su area y se encuentra mediante la expresion:

A= Ao (1+2αΔt)

A: area final

Ao: area inicial

α: coheficiente de dilatacion

Δt: variacion de la temperatura: tf=ti

El calor

El calor está definido como la forma de energía que se transfiere entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa simplemente transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico.

Transferencia de calor: El calor puede ser transmitido de tres formas distintas: por conducción, por convección o por radiación.

Conducción térmica: es el proceso que se produce por contacto térmico entre dos ó más cuerpos, debido al contacto directo entre las partículas individuales de los cuerpos que están a diferentes temperaturas, lo que produce que las partículas lleguen al equilibrio térmico. Ej: cuchara metálica en la taza de té.
Convección térmica: sólo se produce en fluidos (líquidos o gases), ya que implica movimiento de volúmenes de fluido de regiones que están a una temperatura, a regiones que están a otra temperatura. El transporte de calor está inseparablemente ligado al movimiento del propio medio. Ej.: los calefactores dentro de la casa.
Radiación térmica: es el proceso por el cual se transmite a través de ondas electromagnéticas. Implica doble transformación de la energía para llegar al cuerpo al que se va a propagar: primero de energía térmica a radiante y luego viceversa. Ej.: La energía solar.

Expresiones del calor:

Capacidad calorica: C= Q/ Δt

Calor especifico: c= Q/ mΔt

Q: Calor suministrado

Δt: variacion de la temperatura

m: masa de la sustancia

Calor y cambios de estado

En física y química se denomina cambio de estado la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados más estudiados y comunes en la Tierra son el sólido, el líquido y el gaseoso; no obstante, el estado de agregación más común en el Universo es el plasma, material del que están compuestas las estrellas.

Primera ley de la termodinámica

También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.

La energía no se crea ni se destruye: solo se transforma.

Esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna.

La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

$E_{\text{entra}} - E_{\text{sale}} = \Delta E_{\text{sistema}} \,$

Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:

$\Delta U = Q - W \,$
Donde: U es la energía interna del sistema Q es la cantidad de calor aportado al sistema W es el trabajo realizado por el sistema

Segunda ley de la termodinámica

Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el primer principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado, la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.

HIDROSTATICA

La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos que estudia los fluidos en estado de reposo; es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición.

Reciben el nombre de fluidos aquellos cuerpos que tienen la propiedad de adaptarse a la forma del recipiente que los contiene. A esta propiedad se le da el nombre de fluidez.

Son fluidos tanto los líquidos como los gases, y su forma puede cambiar fácilmente por escurrimiento debido a la acción de fuerzas pequeñas.

Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de Pascal y el principio de Arquímedes.

Densidad

En física y química, la densidad (símbolo ρ) es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa en un determinado volumen de una sustancia. La densidad media es la razón entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa.

$\rho = \frac{m}{V}\,$

Ejemplo:

1) Un recipiente de aluminio tiene una capacidad interior de 496 cm3. Si el recipiente se llena totalmente de glicerina ¿Que cantidad de glicerina en kilogramos llena el recipiente?

Datos:

Volumen: 496 cm3

Glicerina: 1,26 g/cm3

M: ?

M= Sv= (1.26 g/cm3)(496 Cm3)= 624,96 g = 0,62496 Kg

Respuesta: Se necesitan 0,62 Kg de glicerina.

Presión

La presión es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea. En el Sistema Internacional de Unidades la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal que es equivalente a una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado. En el Sistema Inglés la presión se mide en libra por pulgada cuadrada que es equivalente a una fuerza total de una libra actuando en una pulgada cuadrada.

Ejemplo

1) Un ladrillo de dencidad 3,5 g/cm3 tiene por dimensiones 45cm de largo 17cm de ancho y 8,3 cm de alto. Calcular la presion que ejerce el ladrillo sobre el suelo cuando se coloca sobre cada una de sus caras

Datos: d= 3,5 g/cm3

P= F/A, La fuerza es el peso del ladrillo: Peso=mg=dvg

dvg= (3,5 g/cm)(45cm)(17cm)(8,3cm)(1000 cm/s2)=

6349500 gCm/s2 = 6349500 dinas

Presión Hidrostatica

Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes del fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientación que adopten las caras. Si el líquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no serían necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión y de la altura del líquido con referencia del punto del que se mida y donde.

Se calcula mediante la siguiente expresión:

$\ P = \rho g h + P_0$

Donde, usando unidades son:

$\ P$ es la presión hidrostática
$\ \rho$ es la densidad del líquido
$\ g$ es la aceleración de la gravedad
$\ h$ es la altura del fluido.
$\ Po$ es la Presión atmosférica

Formulas: P1=P2

S1gh1=S2gh2

S1= S2h2/ h1 S2= S1h1/ h2

h1= S2h2/ s1 h2= S1h1/ s2

Ejemplo:

1) Un tubo doblado en u contiene agua d densidad 1 g/cm3 y aceite de densidad desconocida, la altura del agua respecto a la superficie dde separacion es 9 cm y la altura de la columna de aceite es 10,6 cm

¿Cual es la densidad del aceite?

Solucion: S2= S1h1/ h2

dencidad del aceite= (1 g/ cm2)(9cm) / 10,6cm = 0,84 gr/cm3

Respuesta: la dencidad del aceite es 0,84 gr/ cm3

Presión Atmosférica

La presión atmosférica es la fuerza por unidad de superficie que ejerce el aire sobre la superficie terrestre.

La presión atmosférica en un punto coincide numéricamente con el peso de una columna estática de aire de sección recta unitaria que se extiende desde ese punto hasta el límite superior de la atmósfera. Como la densidad del aire disminuye conforme aumenta la altura, no se puede calcular ese peso a menos que seamos capaces de expresar la variación de la densidad del aire ρ en función de la altitud z o de la presión p.

Principio de Pascal

En física, el principio de Pascal, que se resume en la frase: la presión ejercida sobre un fluido poco compresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.

Formula: F1/A1= F2/A2

Como sus envolos son sectores circulares: A= πr2

Ejemplo:

1) Si en una prensa hidraulica sus cilindros tienen radios de 4 cm y 9 cm respectivamente, si sobre el enrolo de menor area se ejerce una fuerza de 13 Nw, que fuerza ejerce la prensa hidraulica sobre el envolo mayor?

Datos: 4 cm ÷ 100= 0,04 m

9 cm ÷ 100= 0,09 m

Encontramos el valor de las areas o superficies en los envolos.

A1= πr2 = (3,14)(0,04m)2= 0,005024 m2

A2= πr2 = (3,14)(0,09m)2= 0,035434 m2

Aplicando la formula:

13 Nw / 0,0050 m2 = F2/ 0,035434 m2

2587,57 Nw/m2 (0,035434 m2) = F2

91,6 Nw = F2

Respuesta: La fuerza que ejerce la prensa hidraulica es 91,6 Nw

Principio de Arquimedes

El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja. Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newtons. El principio de Arquímedes se formula así:

$E = m\;g = \rho_\text{f}\;g\;V\;$

o bien

$\mathbf E = - m\;\mathbf g = - \rho_\text{f}\;\mathbf g\;V\;$

Donde:

E es el empuje

ρ_f es la densidad del fluido

V el volumen de fluido

g la aceleración de la gravedad

m la masa

Fluidos en movimiento

Estudia la dinámica de los líquidos.

Para el estudio de la hidrodinámica normalmente se consideran tres aproximaciones importantes:

Que el fluido es un líquido incompresible, es decir, que su densidad no varía con el cambio de presión, a diferencia de lo que ocurre con los gases.
Se considera despreciable la pérdida de energía por la viscosidad, ya que se supone que un líquido es óptimo para fluir y esta pérdida es mucho menor comparándola con la inercia de su movimiento.
Se supone que el flujo de los líquidos es en régimen estable o estacionario, es decir, que la velocidad del líquido en un punto es independiente del tiempo.

Teorema de bernoulli:

El principio de Bernoulli es una consecuencia de la conservación de la energía en los líquidos en movimiento. Establece que en un líquido incompresible y no viscoso, la suma de la presión hidrostática, la energía cinética por unidad de volumen y la energía potencial gravitatoria por unidad de volumen, es constante a lo largo de todo el circuito. Es decir, que dicha magnitud toma el mismo valor en cualquier par de puntos del circuito. Su expresión matemática es:

$P_1 + \rho g h_1 + \frac{1}{2} \rho v_1^2 = P_2 + \rho g h_2 + \frac{1}{2} \rho v_2^2$

donde:

$P$ es la presión hidrostática

$\rho$ la densidad

$g$ la aceleración de la gravedad

$h$ la altura del punto

$v$ la velocidad del fluido en ese punto