INSTITUCION EDUCATIVA NACIONAL LOPERENA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES. FISICA I. CUESTIONARIO GENERAL IV PERIODO. NOTA: Es importante que cada una de las cuestiones así sean tipo Icfes, deben ser justificadas acordes con los conceptos establecidos, para una mejor comprensión han de construir los dibujos y diagramas de cuerpo libre donde sea necesario y el problema así lo amerite, además del desarrollo paso a paso de los problemas de aplicación de conceptos dados. 1. TRABAJO-ENERGÍA-POTENCIA. 1.1 Resumen (Conceptos y ecuaciones importantes). Trabajo (W): magnitud escalar dado por el desplazamiento de un cuerpo cuando sobre el se aplica una fuerza paralela a este. ( ) Trabajo por una fuerza variable (Aplicado en cuerpos elásticos, resortes, etc.) ; Elongación, constante de elasticidad del cuerpo elástico. Energía: capacidad que tiene un cuerpo para realizar trabajo. Energía cinética ( ): capacidad que tiene un cuerpo de realizar trabajo en función de su movimiento: Energía potencia ( ): capacidad que tiene un cuerpo de realizar trabajo en función de su posición. Energía potencia elástica: trabajo efectuado por una fuerza de resorte. Teorema trabajo-energía: el trabajo efectuado por un cuerpo es igual al cambio de energía cinética o potencia. Energía mecánica: es la suma de la energía cinética más la potencial. Conservación de la energía mecánica: la energía no se crea ni se destruye solo se conserva. Potencia ( ) trabajo efectuado en la unidad de tiempo, es decir rapidez con que se hace un trabajo. 1.2 Cuestionario. 1. Un estudiante que se gana un poco de dinero durante el verano empuja una podadora de pasto por un prado horizontal con una fuerza constante de 250 N, que forma un ángulo de 30 hacia abajo respecto a la horizontal. Que distancia empuja la podadora al efectuar 1,44x10 3 julios? 2. Un proyectil de masa m = 1kg, se lanza desde el origen de un sistema de coordenadas, con rapidez v0 = 100ms 1, formando un ángulo α = 37 o con la horizontal. Si se desprecia la resistencia del aire, calcule: a. La energía mecánica del proyectil después del lanzamiento. b. El trabajo realizado por la fuerza neta que actúa sobre el proyectil, desde que se lanza hasta que adquiere la altura máxima. c. La energía cinética del proyectil en el punto de impacto contra el suelo. 3. Un fragmento rocoso de 30 gr., expulsado por un volcán, viaja inicialmente a 500 m/seg., penetra 12 cm., en una pared rocosa. a. cuál es el trabajo realizado por la pared para parar el fragmento?. b. Asuma que la fuerza de la pared sobre el fragmento es constante y calcule su valor. 4. Dos equipos de estudiantes tiran de una cuerda en un juego. El equipo A está ganando, ya que la cuerda se mueve en su dirección a una velocidad constante de 0,01 m/seg. La tensión en la cuerda vale 4000 N. Qué potencia desarrolla el equipo A? 5. Una partícula está sometida a una fuerza que varia con la posición, como se ve en la figura. Encuentre, el trabajo realizado por la fuerza sobre la partícula cuando se mueva. a. De x = 0 a x = 5 metros b. De x = 5 a x = 10 metros c. De x = 10 a x = 15 metros d. Cuál es el trabajo total realizado por la fuerza sobre la distancia de x = 0 a x = 15 metros 6. Hallar la potencia que desarrolla el motor mostrado para que levante al bloque de 20 N con velocidad constante en 2 s una altura de 4 m.
7. Un bloque de 2 000 N de peso resbala por el plano inclinado sin rozamiento como se muestra. a. Calcular el trabajo realizado por cada fuerza. b. Calcular el trabajo neto realizado sobre el bloque; para un desplazamiento de 0,1 m. 8. El cuerpo de 1 kg se suelta de A recorriendo el plano inclinado 60º con la horizontal y de superficie lisa hasta el punto B. Luego recorre el tramo rugoso BC deteniéndose en C. Hallar L si se sabe que, (g = 10 m/s 2 ). 9. Un cuerpo se desliza hacia abajo sobre un plano inclinado liso, partiendo de una altura ho, con respecto al piso. Cuál de los siguientes gráficos representa cualitativamente el trabajo W que realiza el peso del cuerpo en función de la altura h? [0 < h < ho]. Justifica tu respuesta. 10. Una carreta de 200 kg se encuentra sobre una carretera horizontal y recta. Calcular el trabajo realizado en los siguientes casos a. Empujamos con una fuerza de 100 N y la carreta no se mueve. b. La jalamos con una fuerza de 200N paralela a la carreta y se mueve 10 m. c. La jalamos con una fuerza de 200N formando un ángulo de 30 con la horizontal y la carreta se mueve 20m. 11. La fuerza que actúa sobre una partícula varía, como muestra la figura. Encuentre el trabajo hecho por la fuerza cuando la partícula se mueve (a) desde x = 0 hasta x = 4.0 m, (b) desde x = 4.0 m hasta x = 8 m, y (c) desde x = 0 hasta x = 10 m. 12. Una partícula de 0.6 kg tiene una velocidad de 2 m/s en el punto A y una energía cinética de 7.5 J en B Cuál es a. Su energía cinética en A? b. Su velocidad en B? c. El trabajo total realizado sobre la partícula cuando se mueve de A a B? 2. Cantidad de movimiento-choques 2.1 Resumen (Concepto y ecuaciones importantes). La cantidad de movimiento ( ): de una partícula es un vector que se define como el producto de la masa del cuerpo que se mueve y la velocidad que lleva. La cantidad de movimiento lineal total ( ): de un sistema es la suma vectorial de las cantidades de movimiento de las partículas individuales. Segunda ley de Newton en términos de la cantidad de movimiento (Para una partícula) Conservación de la cantidad de movimiento lineal: en ausencia de una fuerza externa neta, la cantidad de movimiento lineal total de un sistema se conserva. Teorema de impulso-cantidad de movimiento: relaciona el impulso que actúa sobre un cuerpo, con el cambio en su cantidad de movimiento. Condiciones para un choque elástico:
Condiciones para un choque inelástico: ( ) ( ) 2.2 Cuestiones. ( ) ( ) 1. En fútbol americano, un hombre de línea casi siempre tiene más masa que un corredor. a. Un hombre de línea siempre tendrá mayor cantidad de movimiento lineal que un corredor? Por qué? b. Quién tiene mayor cantidad de movimiento lineal, un corredor de 75 kg que corre a 8,5 m/s o un hombre de línea de 120 kg que corre a 5,0 m/s? 2. En el billar, una bola impacta sobre una banda tal como muestra la figura. Calcular la pendiente del ángulo θ. A consecuencia de la colisión los carros quedan pegados y con velocidad CERO. Cuál es el valor de la velocidad V? 7. Un jugador de béisbol utiliza una maquina lanzadora para ayudarse a mejorar su promedio de bateo. Coloca la máquina de 50 kg. Sobre un estanque congelado, como se puede ver en la figura 9.2. La máquina dispara horizontalmente una bola de béisbol de 0,15 kg. Con una velocidad de 36 m/seg. Cuál es la velocidad de retroceso de la máquina. 3. 2 esferas A y B de igual masa realizan un choque elástico tal como muestra la figura determinar la velocidad de cada esfera después del choque. Hacia donde se dirigen ambas esferas después del choque? 8. Un automóvil de 1500 kg. De masa choca contra un muro, como se ve en la figura. Si el choque dura 0,15 seg. Encuentre el impulso debido a este y la fuerza promedio ejercida sobre el automóvil? 4. El proyectil de 10 kg y V = 20 m/s se incrusta en el bloque de M = 90 kg. Calcular la velocidad del sistema después del choque. 9. Se dispara una bala de 0,01 kg de masa contra un péndulo balístico de 2 kg de masa, la bala se incrusta en el péndulo y éste se eleva 0,12 m medidos verticalmente, cuál era la velocidad inicial de la bala? 5. Si la energía se conserva, hallar las velocidades después del choque en (m/s) 6. Un carro de juguete de masa 3 kg que viaja rectilíneamente con velocidad constante de 10 m/s choca frontalmente con otro carro de 2 kg de masa que viaja con una velocidad V como muestra la figura. 10. Dos esferas de acero, de igual radio y masas 700 y 300 gr se mueven sobre un plano horizontal con velocidades 6 y 4m/s. Cuáles serán sus velocidades después del choque si se movían en el mismo sentido, Cuáles serán si se mueven en sentidos contrarios? 11. Una bala de 2g que se mueve a 538m/seg golpea un trozo de madera de 0,25kg en reposo sobre una mesa sin roce la bala se incrusta en la madera y el sistema continua moviéndose. a. Encuentre la rapidez del sistema después de la colisión b. Encuentre la energía cinética del sistema combinado después de la colisión c. Cuánta energía cinética perdió la bala?
12. Una pelota de billar de 200 gr se mueve con una velocidad de 6 m/s impactando a otra de igual masa que se encuentra en reposo, adquiriendo una velocidad de 10 m/s. Determinar la velocidad de la primera pelota si: a. luego de impactar regresa en sentido contrario b. luego de impactar regresa en sentido el mismo sentido 13. Un obrero empuja un carro de 600 Kg aumentando su velocidad desde 5 m/s hasta 10 m/s en 6segundos. Calcular: a. Cantidad de movimiento lineal inicial b. Cantidad de movimiento lineal final. c. Variación de la cantidad de movimiento. d. Impulso que recibe el carro. e. Fuerza media que ejerció el Obrero. 14. Un cuerpo con energía cinética Ec verifica un choque perfectamente inelástico con un segundo cuerpo de igual masa, inicialmente en reposo. la energía cinética del conjunto después del choque es: a. 0, b. Ec/4, c. Ec/2, d. Ec, e. 2Ec. 15. Se dispara un obús de 1 kg con velocidad de 400 m/s, con un cañón de 100 kg. Cuál es la magnitud de la velocidad de retroceso del cañón? a) 0, b) 2 m/s c) 4 m/s d) 5 m/s e) 40 m/s 3. SÓLIDOS Y FLUIDOS. 3.1 Resumen. Concepto y ecuaciones importantes. Deformación de solidos elásticos. Esfuerzo: medida de la fuerza que causa deformación. Deformación: medida relativa del cambio de forma causado por un esfuerzo. Un módulo de elasticidad: es la razón entre el esfuerzo y la deformación. Módulo de Young: Módulo de corte: Módulo volumétrico: Presión: es la fuerza aplicada sobre la unidad de superficie. Principio de Pascal: la presión aplicada a un fluido encerrado o confinado en un recipiente se trasmite sin merma a todos los puntos del fluido y a las paredes del recipiente. Ecuación presión profundidad (para un fluido incompresible a densidad constante). Principio de Arquímedes: un cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido experimenta una fuerza de flotación igual en magnitud al peso del volumen de fluido desplazado. Fuerza de flotación: Un objeto flota en un fluido si la densidad media del objeto es menor que la densidad del fluido ( ). Si la densidad media del objeto es mayor que la densidad del fluido, el objeto se hundirá ( ), y si la densidad del fluido es igual a la densidad del objeto, el objeto estará en equilibrio a cualquier profundidad en el fluido ( ). Para un fluido ideal, el flujo es: Constante. Irrotacional. No viscoso. Incompresible. Ecuaciones que describen un fluido ideal. Gasto (tasa de flujo):
Ecuación de continuidad: Ecuación de Bernoulli: Con: La ecuación de Bernoulli es una expresión de la conservación de energía para un fluido. 3.2 Cuestionario. El principio de Arquímedes establece que: Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido recibe de éste una fuerza vertical hacia arriba llamada Empuje, igual al peso del fluido desalojado. 1. En un recipiente que contiene 20cm3 de agua se introducen alternativamente 4 cuerpos como se muestra en las figuras: El cuerpo sumergido que recibe mayor empuje es: a. 1 b. 2 c. 3 d. 4 2. En la figura 3, el volumen desalojado por el cuerpo es igual a: a. El volumen de la parte emergente del cuerpo b. El volumen de la parte sumergida del cuerpo c. El volumen total del cuerpo d. El volumen inicial del líquido 3. En la figura 4, el cuerpo se sumerge completamente porque: a. a. La densidad del cuerpo es mayor que la densidad del agua. b. b. La densidad del agua es mayor que la densidad del cuerpo c. c. El peso del cuerpo es mayor que la fuerza de empuje d. d. El volumen desalojado por el cuerpo es el mayor de todos. 4. Un bloque de madera de altura L se sumerge en agua tal como muestra la figura. La gráfica del empuje (E) en función de la profundidad (P) a la que se sumerge el bloque es: 5. Si el bloque queda sumergido la tercera parte de su volumen, puede asegurarse que a. La densidad del bloque es igual a la densidad del agua b. La densidad del bloque es 1/3 de la densidad del agua c. El empuje sobre el bloque es menor que su peso d. El empuje sobre el bloque es mayor que su peso En una tubería de diámetro d fluye agua. En los puntos 1, 2, 3 y 4 se ponen tubos manométricos separados una misma distancia L, como se muestra en la figura: 6. De acuerdo con la gráfica, la presión es menor en el punto: a. 1 b. 2 c. 3 d. 4 7. Un bloque de madera y una masa de plomo de 1Kg se coloca en un recipiente y se llena de agua hasta el borde. (Fig. 1.) La masa de 1Kg se levanta en el agua por medio de un alambre delgado y cuando se hace esto, el nivel de agua baja un poco (Fig. 2.). La masa de agua se coloca ahora sobre el bloque de madera, que permanece flotando, sosteniendo al mismo tiempo la masa. Cuando el plomo se coloca sobre la madera y flota, sucede que:
a. Un poco de agua rebosará el recipiente b. El nivel de agua subirá exactamente hasta el borde como antes c. El nivel de agua subirá, pero no alcanzará el borde d. El nivel de agua no variará El esquema representa un gato hidráulico en el que el diámetro del pistón 2 es el doble del diámetro del pistón 1. 8. Si en el pistón 1 se aplica una fuerza F1 la presión en el líquido es: a. Mayor sobre el pistón 1 que sobre el pistón 2. b. Mayor sobre el pistón 2 que sobre el pistón 1. c. Igual sobre el pistón 2 que sobre el pistón 1 d. Exactamente el doble sobre el pistón 2 que sobre el pistón 1. 9. La fuerza obtenida en el pistón 2 con respecto a la aplicada en el pistón 1 es: a. F2 = F1 b. F2 = 4F1 c. F2 = 2F1 d. F2 = ½F1 10. Este resultado se encuentra porque la fuerza F1 se debió multiplicar por la razón: a. De la áreas de los pistones (A2/A1) b. De los diámetros de los pistones (d2/d1) c. De los diámetros de los pistones (d1/d2) d. De las presiones sobre los pistones (P1/P2) 11. Si con la prensa anterior se desea levantar un auto de 1000kg, el operario deberá aplicar una fuerza de: a. 2500N b. 10000N c. 5000N d. 1000N 12. El recipiente de la forma mostrada en la figura contiene agua. La presión es mayor en el punto: a. B b. C c. D d. Igual en todos los puntos 13. Calcula la presión que ejerce un elefante sobre el suelo, si su masa es de 3000 kg y la huella de cada una de sus patas es aproximadamente, un círculo de 15 cm de radio. Compare el resultado con la presión que ejerce una chica de 55 kg que se apoya sobre la punta de uno de sus pies en una sección de ballet, si la superficie en que se apoya la chica es aproximadamente 11 cm2. Observa a la vista de los resultados quien ejerce mayor presión. 14. Una varilla de hierro de 4 m de longitud y 0,5 cm² de sección recta se alarga 1 mm cuando se suspende de ella una masa de 225 kg. Calcular el módulo de elasticidad del hierro a. 17,6 x 10 10 N/m² b. 11,6 x 10 10 N/m² c. 27,6 x 10 12 N/m² d. 57,6 x 10 14 N/m² 15. Una varilla elástica de 3,5 m de longitud y 1,5 cm² de sección se alarga 0,07 cm al someterla a una fuerza de tracción de 300 Newton. Calcular el esfuerzo, la deformación unitaria y el módulo de Young E del material de dicha varilla. a. Esfuerzo = 100 N/cm², Deformación = 0,002, Módulo = 1 000.000 N/cm² b. Esfuerzo = 20 N/cm², Deformación = 0,0045, Módulo = 1 000.000 N/cm² c. Esfuerzo = 2000 N/cm², Deformación = 0,2, Módulo = 1 000.350 N/cm² d. Esfuerzo = 200 N/cm², Deformación = 0,0002, Módulo = 1 000.000 N/cm² 16. Un recipiente cerrado que contiene líquido incompresible está conectado al exterior mediante dos pistones, uno pequeño de área A1 = 1cm 2, y uno grande de área A2 = 100cm 2 como se ve en la figura 2. Ambos pistones se encuentran a la misma altura. Cuando se aplica una fuerza F = 100N hacia abajo sobre el pistón pequeño. Cuanta masa m puede tener un cuerpo capaz de ser levantado por el pistón grande? 17. Una gata hidráulica tiene dos pistones de diámetro 1 y 5 cm Cuál es la fuerza necesaria en el pistón pequeño para que el grande levante un objeto de 10 N? 18. En el extremo inferior de una varilla de acero de 1 m de longitud y 0,5 cm de diámetro se cuelga una carga de 50 Newton de peso. Calcular aproximado el alargamiento de la citada varilla tomando como módulo de Young del material el valor de 3,2 x 10 6 N/cm² a. 2x10-3 cm b. 8x10-3 cm c. 7x10-3 cm d. 9x10-3 cm 19. Un pedazo de metal pesa 1 800 N en el aire y 1 400 N cuando se le sumerge en el agua. Cuál es la densidad del metal? dar su respuesta en (kg/m 3 ) g = 10 m/s 2.
20. Los émbolos A, B y C tienen un área de 5 cm 2, 60 cm 2 y 70 cm 2 respectivamente; si F = 50 N, determine el valor total de (R + Q). "El verdadero buscador crece y aprende, y descubre que siempre es el principal responsable de lo que sucede." Bucay, Jorge Germán Isaac Sosa Montenegro Octubre 11 de 2012.