Física I. Dr. Roberto Pedro Duarte Zamorano (Responsable) Dr. Mario Enrique Álvarez Ramos (Colaborador) Dr. Ezequiel Rodríguez Jáuregui (Colaborador)

Transcripción

1 Física I Dr. Roberto Pedro Duarte Zamorano (Responsable) Dr. Mario Enrique Álvarez Ramos (Colaborador) Dr. Ezequiel Rodríguez Jáuregui (Colaborador) Webpage: Departamento de Física Universidad de Sonora

2 Temario A. Mecánica 1. Cinemática de una partícula. (9 horas) i. Desplazamiento, velocidad. ii. iii. iv. Traslación de los cuerpos y concepto de partícula. Posición y desplazamiento de un cuerpo. Velocidad media. v. Características del movimiento rectilíneo uniforme; ecuaciones y gráficas para el movimiento rectilíneo uniforme. vi. vii. Movimiento uniformemente acelerado. Velocidad instantánea. viii. Aceleración media y aceleración instantánea. ix. Características del movimiento uniformemente acelerado; ecuaciones y gráficas del movimiento uniformemente acelerado.

3 Temario 2. Vectores. (3 horas) i. Clasificación de cantidades físicas: Escalares y vectores. ii. Representación de un vector: iii. Suma y resta. Método gráfico. Método analítico. iv. Producto de un escalar por un vector. v. Producto escalar o producto punto. vi. Producto vectorial o producto cruz 3. Movimiento en dos dimensiones. (3 horas) i. Posición y desplazamiento de una partícula en el plano. ii. Velocidad media y velocidad instantánea en el plano. iii. Aceleración media y aceleración instantánea en el plano. iv. Movimiento de proyectiles: Características del movimiento. Ecuaciones del movimiento para las dos direcciones. Posición y velocidad en función del tiempo. Ecuación de la trayectoria. v. Movimiento circular uniforme: Sus características. Posición angular y desplazamiento angular. Definición de radian. Definición de período y frecuencia. Concepto de velocidad angular promedio e instantánea. Ecuaciones posición y velocidad angular contra tiempo. Relación entre velocidad lineal y angular. Aceleración centrípeta y sus expresiones en términos de la velocidad angular y la velocidad lineal.

4 Temario 4. Dinámica de una partícula. (6 horas) i. Campo de estudio de la dinámica de una partícula. ii. Definición de fuerza. iii. Primera ley de Newton. iv. Definición de masa. v. Segunda ley de Newton. vi. Tercera Ley de Newton. vii. Sistemas de referencia inerciales. viii. Validez de las leyes de Newton. ix. Ley de la gravitación Peso de los cuerpos. x. Fuerza normal xi. Fuerza de tensión. Fuerzas de fricción estática y cinética. xii. Fuerza elástica: El resorte y la ley de Hooke. xiii. Dinámica del movimiento circular uniforme. xiv. Aplicación de las leyes de Newton

5 Temario 5. Leyes de conservación. (6 horas) i. El concepto de trabajo y su importancia. ii. iii. iv. Trabajo hecho por una fuerza constante. Ejemplo: Trabajo hecho por la fuerza de la gravedad. Trabajo hecho por una fuerza variable dependiente de la posición (en una dimensión.). Ejemplo: Trabajo hecho por la fuerza de un resorte. Energía cinética y Teorema del Trabajo-Energía Cinética. v. Definición de potencia promedio e instantánea. vi. vii. Fuerzas conservativas y no conservativas. Energía potencial gravitacional y energía potencial elástica. viii. Energía mecánica de sistemas conservativos. ix. Conservación de la energía mecánica. Trabajo hecho por fuerzas no conservativas. x. Ley de la conservación de la energía mecánica.

6 Tema 1: Cinemática de una partícula. i. Desplazamiento, velocidad. ii. Traslación de los cuerpos y concepto de partícula. iii. Posición y desplazamiento de un cuerpo. iv. Velocidad media. v. Características del movimiento rectilíneo uniforme; ecuaciones y gráficas para el movimiento rectilíneo uniforme. vi. Movimiento uniformemente acelerado. vii. Velocidad instantánea. viii. Aceleración media y aceleración instantánea. ix. Características del movimiento uniformemente acelerado; ecuaciones y gráficas del movimiento uniformemente acelerado.

7 Antecedentes. En el estudio del movimiento de los cuerpos, uno de los principales retos que se tiene es poder hacer la descripción del mismo de una manera inequívoca; para ello, se precisa hablar del movimiento con relación a cierto sistema de referencia, generalmente se escoge uno llamado sistema de referencia inercial. Un sistema de referencia inercial es aquel en el que las Leyes de Newton son aplicables usando sólo las fuerzas reales que se ejercen unas partículas a otras, así que en un sistema de referencia inercial toda variación de la trayectoria de un cuerpo tiene que tener una fuerza real que la provoca.

8 Antecedentes. Lo anteriormente mencionado permite establecer que en un sistema de referencia inercial un cuerpo sobre el que la fuerza resultante actuante sobre él sea cero, mantiene un movimiento con velocidad constante (rectilíneo uniforme) o permanece en reposo. Para fines prácticos, la tierra es un buen sistema de referencia, aunque estrictamente hablando, no lo es. En el estudio del movimiento de los cuerpos existen algunos conceptos importantes que necesitaremos, empezando con los de posición, distancia y desplazamiento.

9 Posición, distancia y desplazamiento. Se llama posición al punto del espacio físico a partir del cual es posible conocer dónde se encuentra geométricamente un cuerpo en un instante dado, con relación a un punto que llamamos origen. En nuestro espacio 3D, la posición se representa como un vector r de tres componentes: x, y y z, tal como se muestra en el esquema. x r z y

10 Posición, distancia y desplazamiento. Distancia es la longitud de la trayectoria real que sigue el objeto. Considere el viaje del punto A al punto B en el siguiente diagrama: A s = 20 m B La distancia s es una cantidad escalar (sin dirección), ya que sólo tiene magnitud y consta de un número y una unidad; en el ejemplo: 20m.

11 Posición, distancia y desplazamiento. Desplazamiento es la separación en línea recta de dos puntos en una dirección específica, de nuevo, considere el viaje de A a B en el siguiente diagrama: A D = 12 m, 20 0 q B El desplazamiento es una cantidad vectorial, ya que tiene magnitud, dirección y sentido, lo que se representa como un número, unidad y ángulo; en el ejemplo 12m a 20 0.

12 Posición, distancia y desplazamiento. Un ejemplo. Para movimiento a lo largo de los ejes x o y, el desplazamiento se determina por la coordenada x o y de su posición final. Ejemplo: Considere un auto que viaja 8 m al E, luego 12 m al O: D 8m al E x El desplazamiento neto D es desde el origen hasta la posición final: x = -4m 12m al O x = +8m D = 4m, Oeste Cuál es la distancia recorrida? 20 m!!

13 Rapidez y velocidad medias. La rapidez (v) es la distancia recorrida por unidad de tiempo (por lo que resulta ser una cantidad escalar). Distancia s = 20m B v distancia tiempo 20m 4s A v = 5 m/s La rapidez NO depende de la dirección! Tiempo t = 4s

14 Rapidez y velocidad medias. La velocidad (v) es el desplazamiento por unidad de tiempo (por lo que resulta ser una cantidad vectorial). A s = 20m D = 12m Tiempo t = 4s B v desplazamiento tiempo 0 v 3m/s, La velocidad requiere una dirección! 12m 4s

15 Rapidez y velocidad medias. Ejemplo 1. Una corredora corre 200m al Este, luego cambia dirección y corre 300m al Oeste. Si todo el viaje tarda 60s, cuál es la rapidez promedio y cuál la velocidad promedio? Recuerde que la rapidez promedio es una función sólo de la distancia total y del tiempo total: s 2 = 300 m inicio s 1 = 200 m Distancia total: s = 200 m m = 500 m trayectoria total 500m Rapidez promedio= tiempo 60s La rapidez promedio es m/s Para el cálculo de la rapidez NO importa la dirección!

16 Rapidez y velocidad medias. Ejemplo 1. (Continuación) Ahora encuentre la velocidad promedio, que es el desplazamiento neto dividido por el tiempo. En este caso SI importa la dirección. v x f t x i x f = -100 m t = 60 s x 1 = +200 m v x i = 0 m; x f = -100 m x o = 0 100m m / s La dirección del desplazamiento 60s La velocidad promedio es m/s dirigida al Oeste final es hacia la izquierda, como se muestra.

17 Rapidez y velocidad medias. Ejemplo 2. Un paracaidista salta y cae 625m en 15s. Después se abre el paracaídas y cae otros 375m en 145s. Cuál es la rapidez promedio de toda la caída? Rapidez promedio = Distancia total / tiempo total v xa xb 625 m 375m t t 15 s 145s A B v 6.25 m/ s 1000m 160s Recuerde: La rapidez promedio sólo es función de la distancia total recorrida y el tiempo total requerido. 15 s A 625m B 375m 145 s

18 Ejemplos de rapideces en la Naturaleza. Luz = 3 x 10 8 m/s Órbita 2 x 10 4 m/s Jets = 300 m/s Automóvil = 25 m/s

19 Ejemplos de rapideces en la Naturaleza. Corredora = 10 m/s Glaciar = 1 x 10-5 m/s Caracol = m/s

20 Aceleración media. La aceleración (a) es el cambio de velocidad por unidad de tiempo (por lo que resulta ser una cantidad vectorial). a v t f f v t i i Experimentalmente se observa que para tener un cambio en la velocidad de un cuerpo se requiere la aplicación de una fuerza neta sobre él. La Segunda Ley de Newton resume el resultado anterior, con lo que se sientan las bases de la llamada dinámica newtoniana.

21 Aceleración y fuerza aplicada. Más adelante se dará un tratamiento formal de fuerza y aceleración, por el momento es suficiente saber que: La dirección de la aceleración es la misma que la dirección de la fuerza (resultante) aplicada. La aceleración es proporcional a la magnitud de dicha fuerza (resultante).

22 Aceleración y fuerza aplicada. F a 2F 2a Jalar el carrito con el doble de fuerza produce el doble de aceleración y la aceleración está en la dirección de la fuerza.

23 Aceleración media. Ejemplo 1. El viento cambia la rapidez de un bote de 2m/s a 8m/s en 3s. Cuánto vale la aceleración media experimentada por el bote? + v i = +2 m/s t = 3 s v f = +8 m/s Fuerza Una aceleración de 2m/s 2 significa que la velocidad cambia 2m/s cada segundo!! a a v t f f v t 8m s 2 3s 0s a 2 m s i i 2 m s

24 Aceleración media. Ejemplo 2. Una fuerza constante cambia la rapidez de un auto de 8m/s a 20m/s en 4s. Cuál es la aceleración promedio? + v 1 = +8 m/s t = 4 s Fuerza v 2 = +20 m/s a a v t v t ( 20 m ) ( 8 m s s) 4s 0s a 3 m s 2 En este caso tenemos una aceleración de 3m/s 2 positiva, lo que significa que hay una fuerza a la derecha que es la responsable del cambio de velocidad!!

25 Aceleración media. Ejemplo 3. Un carrito que se mueve al este a 20m/s encuentra un viento de cara muy fuerte, lo que hace que cambie de dirección. Después de 5s, está viajando al oeste a 5m/s. Cuál es la aceleración promedio? (Cuidado con los signos) + Fuerza E v i = +20 m/s v f = -5 m/s a a v t f f v t ( 5 m ) ( 20 m s s) 5s 0s a 5 m s i i 2 En este caso tenemos una aceleración de 5m/s 2 negativa, lo que significa que hay una fuerza a la izquierda que es la responsable del cambio de velocidad!!

26 Movimiento con aceleración constante v v at f i v media v i v 2 f 1 x x v t at f i i f i f i v v a x x

27 Ejemplo Un auto viaja con una velocidad promedio de 85km/hr Cuál será su desplazamiento al transcurrir 1.5hr?

28 Ejercicios Un camión viaja con una aceleración constante de a= 4m/s 2, queremos determinar qué tan rápido irá después de 6s, siendo que parte del reposo.

29 Ejercicios Un jet aterriza en un portaaviones a 140 mi/hr a) Cuál es su aceleración constante si se detiene en 2.0s debido al cable de arresto? b) Si el jet toca al portaaviones en la posición x=0 Cuál es su posición final? a v f v t 1 x f xi vit at 2 i 2

30 Desplazamiento, x Velocidad y aceleración instantáneas Velocidad promedio y velocidad instantánea. pendiente x 2 Dx Dx x 1 Dt Dt t 1 t 2 Tiempo Velocidad promedio v promedio Dx x x Dx Dt 2 1 vinst ( Dt 0) Dt t2 t1 Velocidad instantánea

31 Velocidad, v Velocidad y aceleración instantáneas Aceleración promedio y aceleración instantánea. pendiente v 2 Dv Dv v 1 Dt Dt t 1 t 2 Tiempo Aceleración promedio a promedio Dv v v Dv Dt 2 1 ainst ( Dt 0) Dt t2t1 Aceleración instantánea