Conceptos Esenciales de Física: Calor, Fuerza y Ondas

El Calor: Transferencia, Propagación y Efectos

El calor es una forma de transferir energía entre dos cuerpos por el simple hecho de que ambos se encuentren a diferente temperatura. La energía siempre pasa del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. Esta forma de transferir energía se denomina calor y se mide en julios (J), aunque también se utilizan la caloría (cal) y la kilocaloría (kcal).

Mecanismos de Propagación del Calor

El calor puede propagarse a través de diferentes mecanismos:

• Conducción: Es la forma de propagación de la energía a través de un cuerpo mediante choques entre sus partículas, las cuales se agitan pero no cambian de posición. Típica en sólidos.
• Convección: Es la forma de propagación de la energía en líquidos y gases mediante el desplazamiento de las partículas, que cambian de posición dentro del cuerpo considerado.
• Radiación: Es la forma de propagación de la energía que no necesita partículas que vibren o se desplacen, es decir, no requiere de un medio material para propagarse (ej. el calor del sol).

Efectos del Calor

El calor puede producir diversos efectos en los materiales:

• Dilatación de Sólidos: En la construcción de puentes, edificios y grandes estructuras en general, es preciso dejar una separación entre algunos de sus elementos para prevenir deformaciones y grietas debido a la expansión térmica.
• Dilatación de Líquidos: Al calentar distintos líquidos, sus volúmenes aumentan de forma diferente con la temperatura.
• Dilatación de Gases: Si la temperatura de un gas en un recipiente cerrado siguiera aumentando, las paredes del recipiente podrían reventar debido al incremento de presión.

La Fuerza: Concepto y Medición

La fuerza es aquello que origina una deformación o un cambio en el estado de movimiento de un cuerpo. Se mide en Newtons (N) utilizando un dinamómetro. Es una magnitud vectorial porque posee las siguientes características:

• Dirección
• Sentido
• Punto de aplicación
• Intensidad (módulo)

La fuerza se rige por las Leyes de Newton.

Leyes del Movimiento de Newton

1. Primera Ley de Newton (Ley de la Inercia): Si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza neta (o la suma de todas las fuerzas es cero), entonces ese cuerpo permanece en reposo o se mueve a velocidad constante en línea recta.
2. Segunda Ley de Newton (Ley Fundamental de la Dinámica): Si sobre un cuerpo actúa una fuerza resultante, entonces la velocidad del cuerpo varía, es decir, aparece una aceleración. El valor de esta aceleración es directamente proporcional a la fuerza neta e inversamente proporcional a la masa del cuerpo (F = m · a).
3. Tercera Ley de Newton (Principio de Acción y Reacción): Siempre que un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro (acción), el segundo cuerpo ejerce una fuerza de igual magnitud y dirección, pero en sentido contrario, sobre el primero (reacción). En estas parejas de fuerzas se puede distinguir una fuerza que actúa sobre un objeto y otra que es la respuesta de ese objeto a la fuerza que siente. Se les llama fuerza de acción y fuerza de reacción.

Centro de Masa y Centro de Gravedad

El centro de masas de un sistema discreto o continuo es el punto geométrico que dinámicamente se comporta como si en él estuviera aplicada la resultante de las fuerzas externas al sistema.

El centro de gravedad es el punto de aplicación de la resultante de todas las fuerzas de gravedad que actúan sobre las distintas porciones materiales de un cuerpo.

Las Ondas: Naturaleza y Parámetros Fundamentales

Una onda es una perturbación que se propaga desde el punto en que se produjo hacia el medio que rodea ese punto, transportando energía sin transportar materia.

Tipos de Ondas

• Ondas Mecánicas: Estas transportan energía a través de un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso). Ejemplo: las ondas en el agua o el sonido.
• Ondas Electromagnéticas: Estas se propagan en el vacío y transportan energía mediante las oscilaciones de campos eléctricos y magnéticos. Ejemplo: la luz, las ondas de radio.

Parámetros de las Ondas

Para describir una onda, se utilizan los siguientes parámetros:

• Amplitud (A): Es la máxima distancia de cualquier punto de la onda medida respecto a su posición de equilibrio. Su unidad en el Sistema Internacional es el metro (m).
• Longitud de Onda (λ): Es la distancia que existe entre dos puntos sucesivos que se encuentran en el mismo estado de vibración (por ejemplo, dos crestas o dos valles consecutivos). Su unidad en el Sistema Internacional es el metro (m).
• Periodo (T): Es el tiempo que emplea la onda en recorrer una longitud de onda completa. Su unidad en el Sistema Internacional es el segundo (s).
• Frecuencia (f): Es el número de oscilaciones o ciclos por unidad de tiempo. Su unidad en el Sistema Internacional es el hercio (Hz).