1. Fuerza. Leyes de Newton (Gianc )

Transcripción

1 Tema 1: Mecánica 1. Fuerza. Leyes de Newton. 2. Movimiento sobreamortiguado. 3. Trabajo y energía. 4. Diagramas de energía. 5. Hidrostática: presión. 6. Principio de Arquímedes. 7. Hidrodinámica: ecuación de Bernoulli. 8. Viscosidad. 9. Tensión superficial.

2 1. Fuerza. Leyes de Newton (Gianc ) 2ª ley de Newton: Fuerza = masa x aceleración La aceleración es el cambio de la velocidad por unidad de tiempo. Sus unidades son (m/s)/s, es decir m/s 2. Si la aceleración tiene el mismo signo que la velocidad, significa que el cuerpo se acelera. Si tienen signos opuestos, el cuerpo se frena. La unidad en el SI de la masa es el kilogramo (kg). La unidad en el SI de la fuerza es el newton (N= kg m/s 2 ).

3 2. Movimiento sobreamortiguado (Gianc. 5.6) En un fluido, la fuerza de fricción sobre un cuerpo es proporcional a la velocidad del mismo con respecto al fluido. Un paracaidista de masa m se tira de un avión. Antes de abrir el paracaídas: La velocidad terminal es: Velocidad en función del tiempo: Tiempo requerido para alcanzar un 63% de la velocidad terminal:

4 2. Movimiento sobreamortiguado (Gianc. 5.6) En general, si un cuerpo está en un fluido y sometido a una fuerza F: La velocidad terminal es: La velocidad en función del tiempo es: Tiempo característico: El coeficiente b viene dado por la ley de Stokes. Para una esfera de radio R en un fluido de viscosidad η: La ley de Newton nos dice que la aceleración es proporcional a la fuerza total. Pero, para cuerpos que se mueven en fluidos con fricción alta, la velocidad es proporcional a la fuerza aplicada.

5 3. Trabajo y energía (Gianc. 7,8,19) Una fuerza aumenta o disminuye la velocidad de un cuerpo. Energía cinética: Descripción alternativa: la fuerza realiza trabajo y transfiere energía cinética al cuerpo. fuerza F desplazamiento d Energía inicial + Trabajo = Energía final Trabajo realizado por una fuerza constante:

6 3. Trabajo y energía La energía es una cantidad que se conserva. Sólo puede transferirse de un sistema a otro. Formas básicas de energía: Energía cinética: la que tiene una partícula (un cuerpo, una molécula, un átomo) por estar en movimiento: Energía potencial: la que tiene una partícula por estar en un campo de fuerzas conservativo (gravitatorio, eléctrico, ). Ejemplo: energía potencial de un cuerpo de masa m a una altura h debida al campo gravitatorio terrestre: Unidades: julio caloría J.P Joule

7 3. Trabajo y energía Formas de energía derivadas de las básicas: Energía interna de un sistema (cuerpo, gas, proteína, célula, ): es la suma de las energías cinéticas y potenciales de todos los cuerpos que forman el sistema. Energía química: energía interna de las moléculas debida a la interacciones eléctricas entre sus átomos. Energía eléctrica.

8 3. Trabajo y energía Formas básicas de transferencia de energía: Trabajo: cuando un sistema desplaza un cuerpo una distancia d aplicando una fuerza F, el sistema transfiere al cuerpo una cantidad de energía W=Fd. Calor: transferencia de energía interna no causada por fuerzas macroscópicas. Potencia: energía transferida por unidad de tiempo. vatio (watt) Ejemplo: potencia desarrollada por una fuerza F que mueve un cuerpo a velocidad v:

9 4. Diagramas de energía Las reacciones químicas consisten en transformaciones entre moléculas que conllevan variación de la energía potencial de las mismas. Grado de avance de reacción: es una coordenada que indica el avance de una reacción. Diagrama de energía: es la energía potencial total de las moléculas involucradas en la reacción en función del grado de avance de reacción. Estado de transición Estado final Estado inicial

10 5. Hidrostática: presión (Gianc. 13.3,13.4) Densidad: masa por unidad de volumen: Presión: fuerza por unidad de superficie: pascal El fluido ejerce presión en todos sus puntos y en todas direcciones. Ecuación fundamental de la hidrostática:

11 6. Principio de Arquímedes (Gianc. 13.7) Fuerza de flotación o empuje: La fuerza neta debida a la presión es: masa del fluido desalojado El empuje es igual al peso del fluido desalojado. Equilibrio: Peso = Empuje

12 7. Hidrodinámica (Gianc. 13.8) Caudal o flujo: volumen de fluido que atraviesa la sección de un conducto en la unidad de tiempo. Si el fluido se desplaza a una velocidad v, en el tiempo Δt el cilindro más oscuro atravesará la sección A. El volumen de este cilindro es: A Por tanto: Ecuación de continuidad: En un régimen estacionario, el flujo tiene que ser el mismo en todos los puntos de un conducto. Si no fuera así, se acumularía fluido en algunas zonas:

13 7. Ecuación de Bernoulli (Gianc. 13.9,13.10) Cuando la porción azul de fluido se desplaza hacia la derecha, gana una energía potencial: Gana una energía cinética: El trabajo neto realizado por fuerzas externas a la porción de fluido es: Conservación de la energía:

14 7. Ecuación de Bernoulli (Gianc. 13.9,13.10) Velocidad es nula: Ecuación fundamental de la hidrostática Velocidad de salida en un orificio (teorema de Torricelli): Misma altura (efecto Venturi): La presión disminuye en las zonas en las que el fluido tiene más velocidad. Aplicaciones: aeorosoles, chimeneas, madrigueras, vuelo de aviones y aves, ataque istémico,...

15 8. Viscosidad (Gianc ,13.12) Viscosidad η es la ficción interna en un fluido. Fenómenos asociados a la viscosidad: Caída de presión en flujos (ley de Poiseuille): Fricción o fuerza de arrastre (ley de Stokes):

16 9. Tensión superficial (Gianc ) Energía de una superficie: