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1 PROYECTO DE INVESTIGACION por Universidad Nacional del Callao se encuentra bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Perú. Permisos que vayan más allá de lo cubierto por esta licencia pueden encontrarse en DIRECCION CDCITRA Universidad Nacional del Callao Teléfono:

2 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMÀTICA INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN TEXTO: FÍSICA II PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS Lic. Eladio Gilberto Casapía Almonte R.R. Nº R ( al ) PROYECTO DE INVESTIGACION por Universidad Nacional del Callao se encuentra bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Perú. Permisos que vayan más allá de lo cubierto por esta licencia pueden encontrarse en DIRECCION CDCITRA Universidad Nacional del Callao Teléfono:

3 ÍNDICE Página ÍNDICE 1 RESUMEN 6 INTRODUCCIÓN 7 MARCO TEÓRICO 9 MATERIALES Y MÉTODOS 10 RESULTADOS 11 CAPITULO 1: ELASTICIDAD 1.1 Sólidos: Clases de Sólidos Propiedades de los sólidos Deformación de los cuerpos sólidos Esfuerzo Deformación unitaria Tracción y compresión por debajo del límite de elasticidad Diagrama esfuerzo vs deformación Coeficiente de Poisson Deformación volumétrica Deformación por cizalladura Torsión 26 CAPÍTULO 2: OSCILACIONES 2.1 Movimiento armónico simple Cinemática en el movimiento armónico simple Interpretación geométrica del MAS Energía en el Movimiento Armónico Simple El péndulo simple Péndulo físico Superposición de dos MAS de igual dirección y frecuencia Superposición de dos MAS de igual dirección y diferente frecuencia Superposición de dos MAS con direcciones perpendiculares 58

4 CAPÍTULO 3: OSCILACIONES AMORTIGUADAS Y FORZADAS 3.1. Oscilaciones amortiguadas Factor de calidad Oscilaciones forzadas Resonancia 75 CAPITULO 4: ONDAS 4.1 Ondas mecánicas Tipos de ondas Ondas viajeras en una dimensión Ecuación diferencial del movimiento ondulatorio Ondas armónicas Velocidad y aceleración de partículas en una onda armónica Rapidez de ondas en cuerdas Rapidez de ondas transversales en una barra Rapidez de ondas longitudinales en una barra Rapidez de ondas longitudinales en una columna de fluido Energía de ondas en una cuerda Ondas sonoras Ondas sonoras armónicas Intensidad de ondas sonoras Niveles de intensidad: el decibel Efecto Doppler Reflexión y refracción del sonido Principio de superposición Interferencia de ondas que viajan en distintas direcciones Ondas estacionarias Modos normales de una cuerda Ondas estacionarias longitudinales y modos normales 111 CAPÍTULO 5: HIDROSTÁTICA 5.1 Densidad Densidad relativa Peso específico Presión Variación de la presión con la profundidad Presión atmosférica Manómetro en U 124

5 5.8 Principio de Pascal Principio de Arquímedes Fuerzas sobre las paredes de un dique 128 CAPÍTULO 6: TENSIÓN SUPERFICIAL 6.1 Energía superficial La tensión superficial como fuerza Meniscos y ángulo de contacto Presión producida por la curvatura de una superficie Fenómenos Capilares 138 CAPÍTULO 7 HIDRODINÁMICA 7.1 Conceptos generales del movimiento de un fluido Líneas de corriente Tubo de flujo Caudal Ecuación de Continuidad Ecuación de Bernoulli Ecuación de Torricelli Tubo de Venturi Tubo de Pitot Fuerza ascensional Fuerza de rozamiento interno Ley de Poiseuille Ley de Stokes Número de Reynolds 156 CAPÍTULO 8 TEMPERATURA Y CALOR 8.1 Ley cero de la termodinámica Termómetro y escalas de temperatura Termómetro de gas ideal a volumen constante Dilatación: dilatación de los sólidos Dilatación superficial Dilatación volumétrica Esfuerzo térmico Calor Equivalente mecánico del calor Capacidad térmica de un cuerpo 173

6 8.11 Calor específico de un cuerpo Calorimetría Calores de transformación Formas de transferencia de calor Transferencia de calor por conducción Transferencia de calor por convección Transferencia de calor por radiación 181 CAPÍTULO 9 TEORIA CINÉTICA DE LOS GASES 9.1 Descripción macroscópica de un gas ideal Ley de Boyle-Mariotte Ley de Charles y Gay-Lussac Ley de Avogadro y la ecuación de los gases ideales Ecuación de Van der Waals Modelo cinético molecular de un gas ideal Definición microscópica de un gas ideal Cálculo cinético de la presión Interpretación molecular de la temperatura Teorema de equipartición de la energía 195 CAPÍTULO 10: TERMODINÁMICA 10.1 Sistemas termodinámicos Equilibrio termodinámico Variables termodinámicas Función de estado Transformaciones termodinámicas Diagramas P-V Trabajo Trabajo realizado por un gas ideal en procesos termodinámicos Energía interna Primera ley de la Termodinámica Aplicaciones de la primera ley Procesos adiabáticos para un gas ideal Máquinas térmicas y la segunda ley de la termodinámica Rendimiento de una máquina térmicas Motores de combustión interna: El ciclo de Otto Ciclo de Carnot Refrigeradores y la segunda ley de la termodinámica Coeficiente de Eficiencia 216

7 10.19 Refrigerador de Carnot Teorema de Carnot Escala termodinámica de temperatura Procesos reversibles e irreversibles Entropía y Calor Variación de Entropía en procesos reversibles Variación de Entropía en procesos irreversibles 223 LABORATORIOS Laboratorio Nº 1: Movimiento Armónico Simple 229 Laboratorio Nº 2: Péndulo físico 232 Laboratorio Nº 3: Ondas estacionarias en una cuerda 235 Laboratorio Nº 4: Velocidad del sonido en el aire 238 Laboratorio Nº 5: Determinación del coeficiente de tensión superficial 242 Laboratorio Nº 6: Medida de la viscosidad por el método de Stokes 246 Laboratorio Nº 7: Cantidad de calor 249 Laboratorio Nº 8: Determinación del calor específico de un sólido 253 Laboratorio Nº 9: Fusión y solidificación de la naftalina 257 Laboratorio Nº 10: Calor latente de vaporización del agua 261 DISCUSIÓN 265 REFERENCIALES 266 APENDICE 267 ANEXOS 268

8 RESUMEN El objetivo del presente trabajo de investigación ha sido elaborar un texto de naturaleza teórico-práctico-experimental, redactado en lenguaje simple, que expone de manera clara y precisa, los conceptos y las leyes más importantes de la mecánica de los cuerpos deformables, la temperatura, el calor y la termodinámica; lo que le permite ser usado en el dictado de la asignatura de F II que forma parte de los currículos de estudios de las diversas carreras de ciencias del país y en especial de la Facultad de Ciencias Naturales y Matemática de la Universidad Nacional del Callao. Específicamente el texto FÌSICA II PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS procura introducir en forma clara y precisa los conceptos fundamentales para la comprensión de la asignatura en referencia y, asimismo, pretende preparar al estudiante para que emprenda con éxito el estudio de otras asignaturas relacionadas a éste nivel de pregrado. En el capítulo 1 se estudia los sólidos y sus propiedades elásticas desde un enfoque básico. En el capitulo 2 se destaca la importancia de las oscilaciones y sus aplicaciones, de igual forma se analiza el movimiento ondulatorio (capítulo 3), las ondas sonoras (capítulo 4) y sus aplicaciones. Los capítulos 5, 6 y 7 corresponden al estudio de los fluidos en reposo, de los fenómenos de superficie y de los fluidos en movimiento. El capítulo 8 se desarrolla un enfoque macroscópico de lo que es la temperatura, para luego tratar la dilatación de sólidos y líquidos, continuando luego con una descripción macroscópica de un gas ideal (capítulo 9) y la ecuación de estado que lo caracteriza. El capítulo 10, destaca la importancia del calor y sus formas de propagación. Finalmente el capitulo 11 desarrolla las leyes de la termodinámica y sus aplicaciones. El texto se basa (en su plan general y en algunas extensiones de su contenido), en los textos mencionados en los referenciales, así como algunas notas de consulta. En cada capítulo se presentan interesantes ejercicios de aplicación a un nivel adecuado y, adicionalmente, se incluyen algunas prácticas de laboratorio que complementan los temas tratados, lo que le da un carácter integral y funcional a la obra. El resultado muestra que en contraste con los textos elaborados por otros autores, el texto FISICA II PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS hace más dinámico y fácil el proceso de enseñanza aprendizaje de esta asignatura.