MÓDULO DE FÍSICA GENERAL

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MÓDULO DE FÍSICA GENERALAdaptado por:Freddy Reynaldo Téllez Acuña1Del texto original:FÍSICA IElaborado para la UNAD por:Diego Alejandro Torres Galindo2UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNADFACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA200512Docente de la Unad. Ingeniero Electricista UIS. Magíster en Potencia Eléctrica UIS.Físico. Universidad Nacional de Colombia.

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAFACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍACONTENIDO DEL CURSOPág.Presentación . 5Introducción . 8UNIDAD 1. MECÁNICACapítulo 1. Introducción a la Física . 111. Qué estudia la Física ? . 122. Magnitudes y Unidades . 123. Errores en las mediciones . 17Capítulo 2. Cinemática . 181. Vectores . 192. El concepto Razón de Cambio . 213. Desplazamiento, Velocidad y Aceleración . 234. Movimiento en una Dimensión . 285. Movimiento en dos o más Direcciones . 396. Algunas Aplicaciones de la Cinemática . 47Capítulo 3. Dinámica y Estática . 591. Leyes de Newton . 602. Cómo analizar problemas con ayuda de las Leyes de Newton . 723. Fuerza de Fricción . 784. Algunas Aplicaciones de las Leyes de Newton. 842

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAFACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍAUNIDAD 2. ONDAS Y ENERGÍACapítulo 1. Energía y Potencia . 96dv1. Solución de la ecuación m dt F(r ) en una dimensión . 972. El trabajo y la Energía . 993. Potencia: Definición y Unidades . 1054. Energía Cinética . 1075. Energía Potencial . 1096. La Energía y sus Transformaciones . 114Capítulo 2. Movimiento Periódico y Ondas . 1231. Movimiento Armónico Simple . 1232. Oscilaciones en un Péndulo Simple . 1303. Oscilaciones Amortiguadas . 1344. Oscilaciones Forzadas . 1365. Movimiento Ondulatorio . 138UNIDAD 3. FLUIDOS Y CALORCapítulo 1. Hidrostática e Hidrodinámica . 1481. Propiedades básicas de los Fluidos . 1492. Presión en un Fluido . 1573. Estática de Fluidos . 1584. Principio de Arquímedes . 1605. Dinámica de Fluidos . 1613

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAFACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍACapítulo 2. Calor y Temperatura . 1681. Calor y Temperatura . 1692. Cómo medimos la Temperatura ? . 1703. Escalas de Temperatura . 1724. Calor Específico y Capacidad Calorífica . 1735. Fusión y Vaporización . 1756. Transferencia de Calor . 1767. Combustibles y Alimentos . 177APÉNDICE A. Factores de Conversión de Unidades . 184APÉNDICE B. Notación Científica . 188APÉNDICE C. Álgebra de Vectores . 189INFORMACIÓN DE RETORNO . 194BIBLIOGRAFÍA . 2124

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAFACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍAPRESENTACIÓNEl texto que tiene en sus manos es un texto original, creado para las carreras deingeniería de la Universidad Nacional Abierta y a Distancia ( UNAD ). Por ser laeducación a distancia un reto para la enseñanza, se ha realizado un esfuerzo porcrear un material que facilite y estimule el autoaprendizaje. Se espera que ademásel material sea una referencia a lo largo de su carrera y su vida profesional.Encontrará en cada capítulo una serie de componentes, dentro de los que sedestacan: una evaluación inicial, el texto principal y finalmente una evaluación delo visto en el capítulo. No se preocupe si no es capaz de responder las preguntasde control iniciales, lo que realmente se busca es que usted esté en capacidad decontestarlas cuando termine el capítulo respectivo.Como objetivos del presente texto se tienen:Objetivos Generales: Introducir conceptos fundamentales de la física para poder ser aplicados a lavida profesional. Motivar el aprendizaje y uso de la física como herramienta vital en el desarrollode soluciones en la vida práctica. Comprobar experimentalmente algunas leyes físicas.Objetivos Específicos: Dotar al estudiante de herramientas lógicas, tanto físicas como matemáticas,para el desarrollo de problemas reales, relacionados con la física general. Motivar al estudiante a presentar de manera clara, rigurosa y concisa informesde laboratorio, y reportes de trabajo en los cuales utilice la física comoherramienta.5

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAFACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍAExplicación metodológica.A lo largo de cada uno de los capítulos encontrará el siguiente esquema:Introducción: en ella se da una justificación de la existencia del capítulo, ademásde los conceptos que se aprenderán en el mismo. A pesar de ser corta se habuscado que sea lo suficientemente concisa para que tenga una idea clara de loque se está buscando.Evaluación de conceptos previos: se realizan en esta parte una serie depreguntas de control, para averiguar que grado de conocimiento se poseepreviamente del tema. Además sirve como guía de los conceptos que seaprenderán a lo largo del capítulo.Desarrollo del tema: en esta parte se desarrollará el tema correspondiente alcapítulo y se presentarán diversos ejemplos cotidianos, los cuales aclararán losconceptos estudiados. Se hará especial énfasis en el desarrollo de técnicasmatemáticas. Es fundamental que usted se de cuenta de la importancia de lasmatemáticas para la física. Con el desarrollo del curso podrá ver que es unaherramienta muy poderosa.Taller experimental: su principal propósito es aplicar los conceptos aprendidos,en una experiencia de laboratorio. Los talleres van aumentando de dificultad amedida que avanza el texto, se espera que al final del trabajo usted este encapacidad de crear un taller experimental ideal. Es por eso que el capítulodedicado a los fluidos, se tiene como taller experimental, un taller que usted debecrear siguiendo unas pautas dadas. Lo más importante es que usted utilice suimaginación para realizar este taller, “ la imaginación es más importante que elconocimiento”1.Evaluación final: en esta sección se evalúan los conocimientos teóricosaprendidos, y su capacidad de emplearlos en la solución de problemas. Losproblemas presentados requieren que usted haya leído cuidadosamente elmaterial inicial, se espera que usted pueda solucionarlos todos. Puede darse elcaso de que usted no logre solucionar un problema, en ese caso es muyimportante que tenga en claro el porqué no ha podido solucionarlo y busqueayuda. Cuando no se tiene solución a un problema se debe tener en claro que eslo que dificulta su solución, y luego buscar ayuda en los recursos con que secuenta, personas, libros, internet. En ocasiones se piensa que por encontrarse enun sitio aislado del mundo no es posible solucionar los problemas, nuevamente laimaginación es la solución.1Albert Einstein6

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAFACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍAPara el aprendizaje de los conceptos se utilizan como herramientas fundamentalesla matemática y la experimentación. La matemática involucrada en el texto se hadesarrollado de tal forma que a la par con el curso de física se esté tomando uncurso de cálculo fundamental. Conceptos como derivación e integración,fundamentales para el desarrollo de la física, serán muy importantes a lo largo deltexto, por lo cual se recomienda dar una mirada a los textos de matemáticas queha visto en cursos anteriores o actuales. En la bibliografía la referencia [1]encontrará un manual muy completo de fórmulas y tablas matemáticas.Es muy importante que como estudiante se de cuenta desde el principio de laherramienta que es la matemática, en especial el cálculo y la estadística. Losejemplos desarrollados han tratado de ser explicados en detalle, especialmentelos pasos matemáticos, sin embargo es importante que se desarrollen de maneraindependiente los cálculos y los análisis desarrollados a lo largo del texto.Al final de cada capítulo encontrará una pequeña sección de palabras clavespara búsqueda en Internet. Estas palabras claves se pueden digitar en un buenbuscador de Internet, por ejemplo http://www.google.com, el cual es el buscadorque yo recomiendo. La lista de páginas y textos será extensa, sin embargo es unbuen ejercicio que busque algunas páginas, las abra y revise los principalesconceptos que pueden ayudar a su formación.Actualmente internet proporciona una buena guía acerca de un tópico, sinembargo es solo una guía, y es por ello que usted deberá discriminar y tomar lainformación. Es un buen ejercicio.Además de las palabras claves de Internet, al final del capítulo usted encontrarátambién una bibliografía de textos escritos, cuya referencia completa podráconsultar al final del texto. Una parte de la bibliografía se encuentra en ingles, otraparte es en español. Es importante que empiece a consultar algunos textos eninglés, ya que esto formará una parte muy importante en su ejercicio profesional.Una parte de los textos en español, como el [9] y el [20] son textos producidos enla Universidad Nacional de Colombia.Cualquier observación acerca del libro se puede realizar al correo electró[email protected] El proceso de escritura y reunión de conceptos esuna tarea ardua, y el lograr un texto final perfecto tiene como base una interacciónconstante entre las personas que utilizan el texto y el autor. Es por eso que esperoque esta interacción se dé, y a partir de ella se obtengan beneficios para lasfuturas ediciones. El beneficio será triple, yo aprenderé usted aprenderá y los queutilicen el texto en el futuro aprenderán.Diego Alejandro Torres. Bogotá, Colombia7

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAFACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍAINTRODUCCIÓNPor Física se entiende el estudio de la naturaleza. Este concepto es bastanteamplio, ya que se ha descubierto que no se pueden trazar fronteras claras entreciencias como la física y la química, por ejemplo. Sin embargo empezaremosafirmando que en realidad la física es el estudio de la naturaleza.Históricamente la física empieza de manera formal con Galileo, el cual hallórelaciones matemáticas en los comportamientos físicos, descubre por ejemplo quela caída de un cuerpo es proporcional al tiempo elevado al cuadrado.Años mas tarde Isaac Newton con ayuda de una muy poderosa herramienta, elcálculo, plantearía las tres leyes de Newton, la inercia, fuerza igual a la variacióntemporal del momentum y la ley de acción y reacción. Sin embargo ya en laantigüedad se habían realizado intentos por sistematizar los conocimientos. Losfilósofos de la antigua Grecia iniciaron sus estudios tratando de comprender elfuncionamiento de la naturaleza, y Arquímedes planteó una serie de principios, elmás conocido el de la palanca, para crear herramientas.Sin lugar a dudas la historia de las ciencias es muy apasionante, y es además unaguía de la historia y evolución de la sociedad. Cuando Sir. Isaac Newton escribiósu libro "Principios matemáticos de la filosofía natural", se inicia una revolucióntécnica sin precedentes en la historia. El hombre empezó a adquirir conocimientoa un ritmo muy acelerado, y desde esa época no se ha detenido la producción deconocimientos. Se crean los ingenios, máquinas con principios físicos altamenteoptimizadas, y se desarrolla una rama de conocimientos denominada Ingeniería,( creación de ingenios ).Es por lo tanto muy importante el plantear una distinción fundamental pero norigurosa entre la ciencia y la ingeniería. La ciencia busca conocimientosnovedosos y básicos, tratando de comprender el funcionamiento de la naturaleza.La ingeniería busca utilizar estos conocimientos para mejorar la calidad de vida yel bienestar de la sociedad.A principios del siglo pasado se inicia una nueva revolución científica denominada" mecánica cuántica ", que de la mano con la teoría de la relatividad le dan unnuevo aire a nuestro conocimiento de la naturaleza. También se inicia una granrevolución técnica. La gran mayoría de los equipos que usamos a diario utilizanprincipios cuánticos: teléfonos celulares, televisores, relojes y hasta los nuevosmateriales con los cuales se construyen las gafas y lentes de contacto, o el láser8

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAFACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍAcon el cual ahora se realizan operaciones quirúrgicas, las radioterapias para elcáncer que utilizan materiales radiactivos, o la resonancia magnética nuclear en laexploración del cuerpo. La revolución tecnológica apenas empieza, nosencontramos en un mundo en continua construcción. Esta es sin lugar a dudasuna época interesante.En la actualidad la física se ha diversificado en áreas altamente especializadas,entre las cuales tenemos: Óptica, Óptica cuántica, Materia condensada, Estadosólido, Física nuclear, Física de partículas elementales, Teoría del caos y muchasmás de las cuales trataremos de hablar a lo largo del presente texto.A pesar de los avances técnicos y del conocimiento adquirido, los principiosbásicos de la física continúan intactos. Conceptos como conservación de laenergía, momentum angular y lineal, se siguen usando tanto en la denominadafísica clásica como en la física moderna.El objeto del presente texto es dar una introducción a estos conceptos, los cualesal ser aprendidos de manera firme y correcta servirán como herramientasfundamentales en el desarrollo de ingenios y soluciones a la sociedad.9

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAFACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍAUNIDAD 1MECÁNICACONTENIDOSCapítulo 1. Introducción a la Física1. Qué estudia la Física ?2. Magnitudes y Unidades3. Errores en las medicionesCapítulo 2. Cinemática1. Vectores2. El concepto Razón de Cambio3. Desplazamiento, Velocidad y Aceleración4. Movimiento en una Dimensión5. Movimiento en dos o más Direcciones6. Algunas Aplicaciones de la CinemáticaCapítulo 3. Dinámica y Estática1. Leyes de Newton2. Cómo analizar problemas con ayuda de las Leyes de Newton3. Fuerza de Fricción4. Algunas Aplicaciones de las Leyes de Newton10

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAFACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍACAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LA FÍSICAEn este primer capítulo del Módulo, se van a presentar tres temas de interés paracualquier estudioso de la física y las ciencias en general.En primera instancia se definirán algunos conceptos generales y campos deacción de la física como ciencia. Luego se presentarán las principales magnitudesfísicas a utilizar a lo largo del curso, con sus correspondientes unidades. Elsistema de unidades que se trabajará en el presente Módulo será el SistemaInternacional de Medidas. Por último, se analizarán algunos tipos de errores en lasmediciones y su influencia en los resultados de una práctica de laboratorio.EVALUACIÓN DE CONCEPTOS PREVIOS ¿ Qué estudia la física ? ¿ Cuál es el principal objetivo de la física ? ¿ Qué otras ciencias se relacionan con la física ? ¿ Porqué es importante el estudio de la física? ¿ Que magnitudes físicas conoce ? Escriba las unidades correspondientes a cada magnitud mencionada. ¿ Porqué se deben definir patrones de medición ? ¿ Qué sistemas de unidades conoce ? Defina con sus palabras qué es el error ¿ Qué errores se pueden cometer al realizar una práctica de laboratorio ? ¿ Cómo influye el error en los resultados de una medición ?11

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAFACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA1. QUÉ ESTUDIA LA FÍSICA ?1La palabra física se deriva del vocablo griego physos, que significa naturaleza.En general, la física es la ciencia que se ocupa de los componentesfundamentales del Universo, de las fuerzas que éstos ejercen entre sí y de losefectos de dichas fuerzas. Estudia sistemáticamente los fenómenos naturales,tratando de encontrar las leyes básicas que los rigen. Utiliza las matemáticascomo su lenguaje y combina estudios teóricos con experimentales para obtenerlas leyes correctas.Las ramas de la física estudian el movimiento de los cuerpos, el comportamientode la luz y de la radiación, el sonido, la electricidad y el magnetismo, la estructurainterna de los átomos y núcleos atómicos, el comportamiento de los fluidos( líquidos y gases ), y las propiedades de los materiales, entre otras cosas.La física es una ciencia básica consagrada al estudio de las leyes fundamentalesde la naturaleza. Sus dominios son el movimiento, el calor, el sonido, la luz, laelectricidad, el magnetismo, la electrónica y la energía atómica. Es una ciencia encambio permanente hacia una búsqueda de leyes con rangos de validez cada vezmás amplios. Una ley física es correcta cuando su comprobación da resultadospositivos.La física cuenta con tres pilares básicos: la mecánica clásica

MÓDULO DE FÍSICA GENERAL Adaptado por: Freddy Reynaldo Téllez Acuña1 Del texto original: FÍSICA I Elaborado para la UNAD por: Diego Alejandro Torres Galindo2 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA 2005 1 Docente de la Unad. Ingeniero Electricista UIS. Magíster en Potencia Eléctrica UIS.