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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 782-2011-R (01-07-2011 al 30-06-2013) 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: +01 4651822.
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 12 1.2 Propiedades de los sólidos 13 1.3 Deformación de los cuerpos sólidos 14 1.4 Esfuerzo 14 1.5 Deformación unitaria 16 1.6 Tracción y compresión por debajo del límite de elasticidad 16 1.7 Diagrama esfuerzo vs deformación 17 1.8 Coeficiente de Poisson 18 1.9 Deformación volumétrica 22 1.10 Deformación por cizalladura 24 1.11 Torsión 26 CAPÍTULO 2: OSCILACIONES 2.1 Movimiento armónico simple 30 2.2 Cinemática en el movimiento armónico simple 34 2.3 Interpretación geométrica del MAS 38 2.4 Energía en el Movimiento Armónico Simple 40 2.5 El péndulo simple 47 2.6 Péndulo físico 50 2.7 Superposición de dos MAS de igual dirección y frecuencia 54 2.8 Superposición de dos MAS de igual dirección y diferente frecuencia 56 2.9 Superposición de dos MAS con direcciones perpendiculares 58
CAPÍTULO 3: OSCILACIONES AMORTIGUADAS Y FORZADAS 3.1. Oscilaciones amortiguadas 64 3.2. Factor de calidad 68 3.3. Oscilaciones forzadas 73 3.4. Resonancia 75 CAPITULO 4: ONDAS 4.1 Ondas mecánicas 81 4.2 Tipos de ondas 81 4.3 Ondas viajeras en una dimensión 82 4.4 Ecuación diferencial del movimiento ondulatorio 84 4.5 Ondas armónicas 85 4.6 Velocidad y aceleración de partículas en una onda armónica 87 4.7 Rapidez de ondas en cuerdas 88 4.8 Rapidez de ondas transversales en una barra 89 4.9 Rapidez de ondas longitudinales en una barra 90 4.10 Rapidez de ondas longitudinales en una columna de fluido 93 4.11 Energía de ondas en una cuerda 95 4.12 Ondas sonoras 96 4.13 Ondas sonoras armónicas 97 4.14 Intensidad de ondas sonoras 99 4.15 Niveles de intensidad: el decibel 101 4.16 Efecto Doppler 102 4.17 Reflexión y refracción del sonido 105 4.18 Principio de superposición 106 4.19 Interferencia de ondas que viajan en distintas direcciones 107 4.20 Ondas estacionarias 109 4.21 Modos normales de una cuerda 110 4.22 Ondas estacionarias longitudinales y modos normales 111 CAPÍTULO 5: HIDROSTÁTICA 5.1 Densidad 119 5.2 Densidad relativa 120 5.3 Peso específico 120 5.4 Presión 121 5.5 Variación de la presión con la profundidad 121 5.6 Presión atmosférica 123 5.7 Manómetro en U 124
5.8 Principio de Pascal 125 5.9 Principio de Arquímedes 127 5.10 Fuerzas sobre las paredes de un dique 128 CAPÍTULO 6: TENSIÓN SUPERFICIAL 6.1 Energía superficial 132 6.2 La tensión superficial como fuerza 133 6.3 Meniscos y ángulo de contacto 134 6.4 Presión producida por la curvatura de una superficie 136 6.5 Fenómenos Capilares 138 CAPÍTULO 7 HIDRODINÁMICA 7.1 Conceptos generales del movimiento de un fluido 141 7.2 Líneas de corriente 142 7.3 Tubo de flujo 143 7.4 Caudal 143 7.5 Ecuación de Continuidad 143 7.6 Ecuación de Bernoulli 144 7.7 Ecuación de Torricelli 146 7.8 Tubo de Venturi 148 7.9 Tubo de Pitot 149 7.10 Fuerza ascensional 150 7.11 Fuerza de rozamiento interno 150 7.12 Ley de Poiseuille 152 7.13 Ley de Stokes 155 7.14 Número de Reynolds 156 CAPÍTULO 8 TEMPERATURA Y CALOR 8.1 Ley cero de la termodinámica 160 8.2 Termómetro y escalas de temperatura 161 8.3 Termómetro de gas ideal a volumen constante 165 8.4 Dilatación: dilatación de los sólidos 167 8.5 Dilatación superficial 168 8.6 Dilatación volumétrica 169 8.7 Esfuerzo térmico 171 8.8 Calor 172 8.9 Equivalente mecánico del calor 172 8.10 Capacidad térmica de un cuerpo 173
8.11 Calor específico de un cuerpo 174 8.12 Calorimetría 175 8.13 Calores de transformación 176 8.14 Formas de transferencia de calor 177 8.15 Transferencia de calor por conducción 177 8.16 Transferencia de calor por convección 180 8.17 Transferencia de calor por radiación 181 CAPÍTULO 9 TEORIA CINÉTICA DE LOS GASES 9.1 Descripción macroscópica de un gas ideal 186 9.2 Ley de Boyle-Mariotte 186 9.3 Ley de Charles y Gay-Lussac 187 9.4 Ley de Avogadro y la ecuación de los gases ideales 187 9.5 Ecuación de Van der Waals 189 9.6 Modelo cinético molecular de un gas ideal 191 9.7 Definición microscópica de un gas ideal 191 9.8 Cálculo cinético de la presión 192 9.9 Interpretación molecular de la temperatura 193 9.10 Teorema de equipartición de la energía 195 CAPÍTULO 10: TERMODINÁMICA 10.1 Sistemas termodinámicos 197 10.2 Equilibrio termodinámico 198 10.3 Variables termodinámicas 199 10.4 Función de estado 199 10.5 Transformaciones termodinámicas 200 10.6 Diagramas P-V 200 10.7 Trabajo 201 10.8 Trabajo realizado por un gas ideal en procesos termodinámicos 202 10.9 Energía interna 204 10.10 Primera ley de la Termodinámica 205 10.11 Aplicaciones de la primera ley 205 10.12 Procesos adiabáticos para un gas ideal 207 10.13 Máquinas térmicas y la segunda ley de la termodinámica 209 10.14 Rendimiento de una máquina térmicas 210 10.15 Motores de combustión interna: El ciclo de Otto 210 10.16 Ciclo de Carnot 212 10.17 Refrigeradores y la segunda ley de la termodinámica 215 10.18 Coeficiente de Eficiencia 216
10.19 Refrigerador de Carnot 216 10.20 Teorema de Carnot 217 10.21 Escala termodinámica de temperatura 217 10.22 Procesos reversibles e irreversibles 218 10.23 Entropía y Calor 218 10.24 Variación de Entropía en procesos reversibles 222 10.25 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
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.