Clase 1 de física 1

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Resumen de los capítulos I y II del libro de texto Sears Zemansky

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Clase 1 de física 1

  1. 1. Semana 1 Sistema Internacional. Magnitudes escalares y vectoriales. Movimiento en una dimensión. Sistema Internacional. Conversión de Unidades. Magnitudes vectoriales y vectores. Fundamentos de cinemática. Movimiento en una dimensión.
  2. 2. Magnitudes Físicas <ul><li>Magnitud Física </li></ul><ul><li>Se denominan magnitudes físicas a las propiedades de los cuerpos que son susceptibles a ser medidas. Por ejemplo, la longitud, la masa y el volumen son magnitudes físicas ya que siempre se pueden medir y expresar a través de números: 5,0 metros, 2,0 kilogramos, 6,0 metros cúbicos. </li></ul><ul><li>El Sistema Internacional de Unidades (SI) </li></ul><ul><li>El SI toma como magnitudes fundamentales la longitud, la masa, el tiempo, la intensidad de corriente eléctrica, la temperatura absoluta, la intensidad luminosa y la cantidad de sustancia , y fija las correspondientes unidades para cada una de ellas. </li></ul><ul><li>Además de las magnitudes fundamentales , hay magnitudes que pueden construirse a partir de estas y se denominan magnitudes derivadas , entre estas se puede citar: la velocidad, la aceleración, la fuerza, etc. </li></ul>5 kg masa
  3. 3. Sistema Internacional de unidades Magnitudes fundamentales Magnitudes derivadas Magnitud Unidad Símbolo Longitud metro m Masa kilogramo kg Tiempo segundo s Intensidad de corriente eléctrica ampere A Temperatura kelvin K Cantidad de sustancia mol mol Intensidad lumínica candela cd Magnitud Unidad Símbolo Área metro cuadrado m 2 Volumen metro cúbico m 3 velocidad, rapidez metro por segundo m/s velocidad angular radián por segundo rad/s Aceleración metro por segundo al cuadrado m/s 2 Torque newton metro m 2 ·kg·s -2 Momento de inercia kilogramo metro cuadrado kg/m 2
  4. 4. Ecuaciones dimensionalmente consistentes
  5. 5. <ul><li>Conversión de unidades </li></ul><ul><li>¿Cómo proceder para convertir exitosamente unidades de un sistema otro? </li></ul><ul><li>En primer lugar, debe tener a mano las equivalencias entre los diferentes sistemas de unidades. </li></ul><ul><li>Luego, debe escribir correctamente los factores de conversión. </li></ul><ul><li>Por ejemplo, para convertir 20 mi/h a km/h, lo que debes hacer es realizar la siguiente operación: </li></ul>Sistema Inglés de unidades <ul><li>El Sistema Inglés de Unidades es aún usado ampliamente en los Estados Unidos de América y, cada vez en menor medida, en algunos países de la comunidad británica. </li></ul><ul><li>Debido a la intensa relación comercial que se tiene con los EUA, existen muchos productos fabricados con especificaciones en este sistema. </li></ul><ul><li>Ejemplos de ello son los productos de madera, peletería, metalmecánica, motores, electrodomésticos cables conductores y perfiles metálicos. </li></ul>
  6. 6. Equivalencias del Sistema Inglés al SI <ul><li>1 in = 25,4 mm = 2,54 cm = 0,025 4 m </li></ul><ul><li>1 ft = 12 in </li></ul><ul><li>1 ft = 0,304 8 m </li></ul><ul><li>1 yd = 3 ft = 36 in </li></ul><ul><li>1 yd = 0,914 4 m </li></ul><ul><li>1 mi = 5 280 ft = 1 760 yd </li></ul><ul><li>1 mi = 1,609 km </li></ul><ul><li>1 lb = 4,45 N </li></ul><ul><li>1 slug = 14,60 kg </li></ul><ul><li>1 J = 0,738 ft  lb </li></ul><ul><li>1 Btu = 778 ft  lb = 1 054 J </li></ul><ul><li>1 hp = 550 ft  lb/s = 746 W </li></ul><ul><li>1 atm = 14,7 lb/in 2 </li></ul>
  7. 7. Magnitudes escalares y vectoriales Magnitudes escalares. Magnitudes vectoriales. Operaciones con magnitudes vectoriales
  8. 8. Magnitudes escalares <ul><li>Son aquellas magnitudes físicas que quedan totalmente descritas mediante un número y una unidad . </li></ul><ul><li>Las operaciones con magnitudes escalares se realizan siguiendo las reglas de las operaciones con números reales. </li></ul><ul><li>Por ejemplo, si se tiene en la mesa un bloque de masa de 200 g y este se pega a otro bloque de masa de 300 g, como resultado se tendrá un bloque de masa de 500 g </li></ul>500 g 200 g 300 g
  9. 9. Magnitudes vectoriales <ul><li>Existen magnitudes físicas como la velocidad y la fuerza que para quedar definidas requiere conocerse el valor , la unidad y la dirección . A las magnitudes que poseen dirección se les denomina vectoriales . </li></ul><ul><li>Por ejemplo, no es suficiente decir que “ sobre un carrito se está aplicando una fuerza de 100 N ” porque no se sabe cuál es la dirección de la fuerza, que es la información que se requiere para saber hacia donde acelerará el coche. </li></ul>La fuerza F produce un movimiento hacia adelante La fuerza F produce un movimiento hacia atrás F F
  10. 10. Definiciones <ul><li>Las magnitudes vectoriales se representan mediante vectores, los cuales geométricamente se ilustran como segmentos orientados (flechas). </li></ul><ul><li>La longitud de la flecha indica el valor o módulo de la magnitud física y el ángulo que forma con respecto a la horizontal es su dirección. </li></ul>Módulo o magnitud Origen Dirección  Módulo Dirección F
  11. 11. Vectores paralelos, iguales y opuestos Vectores paralelos Vectores iguales Vectores opuestos
  12. 12. Suma de vectores. Método gráfico <ul><li>Para sumar vectores con el método gráfico, se unen de manera consecutiva la punta de un vector con la cola del siguiente. La resultante se obtiene uniendo la cola del primer vector con la punta del último. </li></ul><ul><li>Esta operación es conmutativa; es decir, puede cambiarse el orden de los vectores que se están sumando y la resultante será la misma. </li></ul>
  13. 13. Preguntas <ul><li>¿Puede encontrar dos vectores de diferente longitud que sumados cero? ¿Qué restricciones de longitud son necesarias para que tres vectores tengan resultante cero? </li></ul><ul><li>(a) ¿Tiene sentido decir que un vector es “negativo” ¿Por qué? b) ¿Tiene sentido decir que un vector es el negativo de otro? ¿Por qué? </li></ul><ul><li>Si C es la suma vectorial de A y B , C = A + B , ¿qué deberá ser cierto si C=A+B?¿Qué deberá ser cierto si C=0? </li></ul>
  14. 14. Método de componentes vectoriales <ul><li>El vector A puede representarse como la suma de dos vectores que se encuentran sobre los ejes x y y respectivamente. Estos vectores reciben el nombre de componentes del vector A . </li></ul><ul><li>Las componentes del vector A : A x y A y , se pueden calcular mediante la siguiente relación: </li></ul>
  15. 15. Cálculo de vectores usando componentes <ul><li>Si se conocen las componentes del vector A, entonces es posible saber cuál es magnitud y dirección. Para ello, basta aplicar el teorema de Pitágoras y la función trigonométrica arco tangente. </li></ul>
  16. 16. Vectores unitarios cartesianos <ul><li>Un vector unitario es un vector con magnitud 1, no tiene unidades y su único fin es especificar una dirección. </li></ul><ul><li>En un sistema de coordenadas x-y el vector unitario i tiene la dirección del eje +x y el vector j la dirección +y. </li></ul><ul><li>Escriba en función de los vectores unitarios cada uno de los desplazamientos realizados por un cartero en el recorrido de la ruta mostrada en la figura. </li></ul>
  17. 17. Cálculo de resultante <ul><li>Para sumar dos o más vectores mediante el método de las componentes, debe escribir cada uno de los vectores a través de sus componentes y luego sumar independientemente las componentes x y las componentes y de dichos vectores. </li></ul><ul><li>Calcule el desplazamiento total de cartero del ejercicio anterior utilizando el método de las componentes. </li></ul>
  18. 18. Ejercicio <ul><li>El vector A tiene componentes A x = 1,30 cm , A y = 2,55 cm; el vector B tiene componentes B x = 4,10 cm, B y = - 3,75 cm . Calcule: </li></ul><ul><li>a) Las componentes de la resultante A+B </li></ul><ul><li>b) La magnitud y dirección de B-A </li></ul><ul><li>Solución </li></ul>
  19. 19. Ejercicios <ul><li>EJERCICIOS 36, 41, 47, 52a </li></ul><ul><li>PROBLEMAS 65, 86 </li></ul>
  20. 20. Movimiento en una dimensión Movimiento en una dimensión: Definiciones generales.
  21. 21. El punto material como abstracción <ul><li>En cinemática los objetos materiales son representados como puntos materiales; es decir, entes abstractos que carecen de medidas, pero que ocupan una posición en el espacio y poseen masa. Esto con el fin de poder relacionar a un objeto con una coordenada específica. </li></ul>Posición del avión
  22. 22. El movimiento Posición 1 Posición 2 Todo movimiento implica un cambio de posición del móvil
  23. 23. Movimiento de una partícula en una dimensión <ul><li>Se denomina movimiento rectilíneo a aquel movimiento cuya trayectoria es una línea recta. </li></ul><ul><li>El desplazamiento  x en este movimiento está dado por el cambio en la coordenada x en un intervalo de tiempo transcurrido  t . </li></ul><ul><li>Desplazamiento  x = x 2 – x 1 </li></ul>
  24. 24. La posición como función del tiempo x(t 1 ) x(t 2 ) x(t 3 ) Gráfica x-t x(t)
  25. 25. Velocidad media <ul><li>La velocidad media es una magnitud vectorial que se define como la razón del desplazamiento por unidad de tiempo </li></ul>0 5 10 7
  26. 26. Velocidad instantánea <ul><li>La velocidad instantánea permite calcular la velocidad que posee el móvil en un intervalo de tiempo muy corto, por lo que se define como el límite de la velocidad media. </li></ul><ul><li>Que a su vez, matemáticamente, es la derivada de la posición respecto del tiempo. </li></ul><ul><li>Ejercicio . Con ayuda del gráfico x-t (a) determine la velocidad media entre 0 s y 2 s . (b) Determine la velocidad instantánea en el t = 0 s . (c) ¿En qué instante la velocidad es cero? </li></ul>
  27. 27. Ejercicio <ul><li>Un Honda Civic viaja en línea recta en carretera. Su distancia x de un letrero de alto está dada en función de t por: </li></ul><ul><li>Donde  =1,50 m/s 2 y  =0,0500 m/s 3 . </li></ul><ul><li>Calcule la velocidad media del auto para los intervalos a) 0 a 2,00 s; b) 0 a 4,00 s; c) 2,00 s a 4,00 s. </li></ul><ul><li>Una profesora sale de casa y camina al campus, pero llueve y regresa a su casa. La posición en función del tiempo está dada por la gráfica. ¿En cuál punto rotulado su velocidad es a) cero? b) constante y positiva? c) constante y negativa? d) de magnitud creciente? e) de magnitud decreciente? </li></ul>
  28. 28. Aceleración media <ul><li>La aceleración media es la tasa media de cambio de la velocidad en un intervalo de tiempo  t. </li></ul><ul><li>v 2 – velocidad final </li></ul><ul><li>v 1 – velocidad inicial </li></ul><ul><li> t – intervalo de tiempo </li></ul><ul><li>Se halla su valor calculando de la pendiente de la gráfica velocidad-tiempo del móvil. </li></ul>
  29. 29. Preguntas <ul><li>En un intervalo de tiempo dado, un auto acelera de 15 m/s a 20 m/s mientras que un camión acelera de 36 m/s a 40 m/s. ¿Cuál vehículo tiene mayor aceleración media? </li></ul><ul><li>¿Es posible tener velocidad instantánea cero y aceleración media distinta de cero? ¿velocidad instantánea cero y aceleración instantánea distinta de cero? Explique sobre una gráfica v x -t y dé un ejemplo de dicho movimiento. </li></ul> t
  30. 30. Aceleración instantánea <ul><li>Es el límite de la aceleración media cuando el intervalo de tiempo se acerca a cero. </li></ul>
  31. 31. Ejercicios <ul><li>Ejercicio . De los gráficos v en función de t representados en la figura ¿Cuál describe mejor el movimiento de una partícula con velocidad positiva y aceleración negativa?. </li></ul><ul><li>Ejercicio . En las gráficas mostradas, indique en qué instantes la aceleración es positiva, en qué intantes es negativa y en qué instantes es nula. </li></ul>
  32. 32. Preguntas <ul><li>Si se conocen la posición y la velocidad iniciales de un vehículo y se registran la aceleración a cada instante, ¿puede calcularse la posición después de cierto tiempo con estos datos? Si se puede, explique cómo. </li></ul><ul><li>La figura muestra la velocidad de un auto en función del tiempo. El conductor acelera desde el letrero de alto, viaja 20 s con rapidez constante de 60 km/h y frena hasta detenerse 40 s después de partir del letrero. Calcule la aceleración media para estos intervalos: de 0 s a 10 s; de 30 s a 40 s; de 10 s a 30 s; d) de 0 s a 40 s. </li></ul>
  33. 33. Problemas <ul><li>La aceleración de un camión está dada por a x (t)=  t , donde  =1,2 m/s 3 . a) Si la rapidez del camión en 1,0 s es 5,0 m/s, ¿cuál será en t=2,0 s? b) Si la posición del camión en 1,0 s es 6,0 m, ¿cuál será en 2,0 s? Dibuje todas las gráficas para este movimiento. </li></ul>

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